顶板围岩复杂多变的巷道支护设计方案与支护效果研究

沈英男 赵 斌

（1.中鼎世纪工程设计有限公司，四川 成都 610000；2.山西长平煤业有限责任公司，山西 晋城 048000）

0 引言

某巷道层位选择在K6灰岩和K7砂岩之间，底板K6灰岩和顶板K7砂岩之间岩层厚度平均在2～3m，巷道高度为3.2m，为此需要破顶板K7砂岩进行巷道掘进。巷道顶板K7砂岩岩体致密完整，承载能力强，但不同区段砂岩层厚度变化较大，平均厚度1～2m，部分区域顶板K7砂岩缺失[1-3]。受掘进砂岩及地质构造影响，K7砂岩变薄区和缺失区上层泥岩就会裸露，该泥岩岩层受风化作用和水的影响显著，具有典型的软岩特性，稳定性差，极易发生顶板坍塌事故，存在较大的安全隐患。因此，为解决上述问题，根据该巷道顶板砂岩层厚度和地质构造复杂多变的特点，主要针对顶板泥岩进行支护设计研究，以提高巷道围岩的稳定性。

1 巷道围岩特征分析

1.1 巷道围岩结构特征

巷道掘进过程中，砂岩整体性较好，强度大，对岩体稳定性产生重要影响的主要是泥岩。暴露的新鲜泥岩含有大量原生宏细观裂隙，宏观裂缝间距在几个厘米范围内。这些宏细观裂隙将泥岩分割成大小不一的岩石块体，徒手或相互用力撞击即可将泥岩沿其宏观裂隙折断[4]，巷帮表面以里0～0.5m范围内泥岩岩体主要表现为沿其宏细观裂隙产生劈裂和碎裂破坏特征；在顶板裂隙水、打钻工程用水及风化作用的影响下，顶板泥岩产生风化和膨胀变形，进一步弱化泥岩的强度，加剧破坏泥岩的完整性，使得巷道表面泥岩更加破碎。

1.2 巷道围岩力学参数特征

通过岩石力学试验机、测试仪对巷道围岩试样进行室内实验测试，得到泥岩的弹性模量、泊松比、天然密度、饱和密度、单轴抗压强度、抗拉强度、内聚力和内摩擦角等基本物理力学参数，为设计科学合理的巷道围岩支护方案提供依据。该地区砂岩和灰岩岩体完整坚硬，对围岩稳定性影响较小，可采取区域经验值进行计算分析，本文主要对泥岩物理力学参数进行测试分析。

对巷道泥岩取样，岩样立方块体最小尺寸不小于15cm，累计取泥岩立方块体7块进行参数测试，测试结果见表1。

表1 巷道泥岩物理力学参数测试结果

由表1可知，水对泥岩物理力学参数的影响显著。与自然条件相比，浸水饱和后泥岩的弹性模量、单轴抗压强度、抗拉强度、内聚力和内摩擦角分别降低42%、32%、41%、41%和3%。由此可知，该巷道泥岩软岩特性比较显著，受水影响极大。

2 巷道支护设计方案

综合考虑巷道围岩结构特征和围岩强度，以及巷道顶板砂岩厚度和地质构造复杂多变的特性，以巷道顶板锚固范围内自下而上岩层厚度及构造变化程度为指标[5]，将巷道围岩控制类型划分为砂岩+泥岩正常支护段（巷道顶板为K7砂岩且厚度≥1m）、砂岩较薄或缺失段（巷道顶板为K7砂岩且厚度<1m）、地质构造段三类，提出三类顶板围岩条件的支护方案，从围岩分级角度对巷道支护参数进行针对性地设计。

2.1 正常地段支护参数设计

2.1.1 顶板支护

锚索：采用1×19股高强度低松驰预应力钢绞线剪切而 成，直径Ф22mm，长 度5300mm和7300mm，型号SKP22-1/1720×7300（5300），尾部配有高强度锁具。锚索托盘：采用拱形方托盘，规格为300×300×16mm。锚索布置：短锚索每排5根，排距1200mm，间距1000mm。长锚索“2-0-2”布置，排距2400mm，间距1700mm，靠帮侧锚索距帮1650mm。网片规格：采用10号铁丝进行编制而成的金属网护顶，金属网网片型号为LW10/35×35-1.4×5.4m，规格为5.4m×1.4m，网孔规格为35mm×35mm。

2.1.2 巷帮支护

锚杆规格：杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，型号为MSGLW-500/22×2000，长度2000mm，杆尾螺纹为M24，配套使用调心球垫及减摩垫圈。锚杆托盘：采用拱型方托盘，托盘规格为150mm×150mm×10mm。锚杆布置：每排3根锚杆，排距1200mm，锚杆间距1000mm，顶角锚杆距顶500mm，底角锚杆距底800mm。网片规格：采用10号铁丝进行编制而成的菱形金属网护帮，网片型号为LW10/50-3.3×1.2m，规格为3.3m×1.2m，网孔规格为50mm×50mm。

2.2 砂岩较薄或缺失地段支护参数设计

2.2.1 顶板支护

锚索：采用1×19股高强度低松驰预应力钢绞线剪切而成，直径Ф22mm，长度6300mm，型号SKP22-1/1720×6300，尾部配有高强度锁具。锚索托盘：采用拱形方托盘，规格为300×300×16mm。锚索布置：排距1000mm，间距1000mm，每排5根锚索，靠帮侧锚索距帮500mm。网片规格：采用10号铁丝进行编制而成的金属网和Ф6.0mm的钢筋焊接而成的钢筋网联合护顶。金属网网片型号为LW10/50×50（或35×35）-1.2×5.4m，规格为5.4m×1.2m，网孔规格为50mm×50mm或35mm×35mm；钢筋网型号GW6.0/100-1.2×5.2m，网片规格为5.2m×1.2m，网孔规格为100mm×100mm。

2.2.2 巷帮支护

与正常地段的巷帮支护参数相同。

2.3 地质构造段支护参数设计

2.3.1 顶板淋水段支护体锚固力满足要求的相关参数

进出地质构造前后10m，顶板淋水段支护体锚固力满足要求的相关参数主要是顶板支护和巷帮支护的结构参数。

（1）顶板支护。锚索规格：型号SKP22-1/1720-7300(5300)，延伸率≥7%，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，直径Ф22mm，长度7.3m和5.3m，尾部采用配套的高强度锁具。锚索托盘：规格为300×300×16mm高强度拱形可调心大托盘，力学性能与锚索索体相一致。锚索布置：短锚索每排5根，排距1m，间距1m。两排短锚索中间打设1组2根12#工字钢锚索，锚索长度7.3m，间距1.7m，锚索均垂直顶板打设。网片规格：采用10#铁丝编织的菱形金属网护顶，金属网网片型号为LW10/50×50-1.2×5.4m，规格为5.4m×1.2m，网孔规格为50mm×50mm。

（2）巷帮支护。与正常地段的巷帮支护参数相同。

2.3.2 顶板淋水段支护体锚固力不满足要求

当进出地质构造前后10m范围围岩破碎、淋水较大导致支护体可锚性不符合要求时，采用围岩喷浆封闭、架设U型钢棚的支护方式，并在地质构造范围内每间隔5m打设一个信号柱，延伸至影响区前后10m范围。

2.3.3 进入地质构造后其他区域

进入地质构造前后10m后，采用K7砂岩顶板变薄或缺失情况下的支护设计。巷道超高时，视巷帮条件进行锚索补强，并制定补强措施。

3 巷道支护方案效果分析

3.1 支护效果数值模拟分析

采用FLAC3D数值模拟软件，对支护设计方案的支护效果进行分析。数值模拟采用的围岩力学参数：泥岩采用表1中所列饱和含水泥岩的各项参数平均值，砂岩和灰岩的力学参数按照区域经验值采用。模拟结果如图1所示，数值模拟最小主应力云图中的蓝色区域为压应力集中区域。从图1可清晰地看出，无论是正常地段、K7砂岩较薄或缺失地段，还是地质构造地段，采用该设计方案的巷道顶板均形成了压力拱效应，压力拱面积较大，表明设计的支护方案对巷道顶板岩层夹持加固效果较好，可有效地抑制顶板的弯曲下沉变形；巷道两帮同样形成加固拱效应，有效控制了巷帮围岩变形。由此可知，根据顶板不同围岩状态针对性提出的分区支护参数设计可有效的控制巷道的围岩变形，保障巷道的安全稳定。

图1 不同支护方案下的围岩第三主应力云图

3.2 支护效果现场试验分析

在巷道距巷口800m至1400m的600m区域进行现场试验，分别在距离巷口1000m和1200m处布设综合测站对支护效果进行观测和分析。

3.2.1 巷道变形观测

由图2巷道围岩变形趋势曲线可以看出，巷道掘进后的3～4个月变形最为显著，5个月之后巷道围岩变形基本趋于稳定，稳定后巷道最终顶板下沉量不超过40mm，顶底板移近量不超过80mm，两帮移近量不超过100mm，巷道围岩整体变形较小，巷道处于稳定服务状态。

图2 巷道围岩变形趋势曲线

3.2.2 支护体受力监测

综合测站的巷道锚杆索轴力变化趋势曲线如图3所示，从图3中可清晰地看出，锚杆索轴力随时间的增加而增大，一般在巷道掘巷后5个月左右达到稳定状态。锚杆稳定后的受力在150kN以内，锚索稳定后的受力在350kN以内，锚杆和锚索受力处于合理的范围之内，均处于安全工作状态，确保了巷道的安全稳定。

图3 锚杆索轴力变化趋势曲线

4 结束语

根据巷道泥岩结构特征和泥岩力学参数，结合顶板砂岩层厚度复杂多变和地质构造的特性，从围岩分级角度提出了三类顶板围岩条件的巷道锚网索支护设计方案，通过数值模拟和现场应用验证了支护效果。数值模拟结果表面各方案支护效果均能满足规范要求；现场应用该支护方案后，巷道顶底板移近量不超过80mm，两帮移近量不超过100mm，巷道变形量小；巷道锚杆受力在150kN以内，锚索受力在350kN以内，锚杆和锚索均处于安全工作状态。该支护设计方案确保了巷道的安全稳定，取得了良好的支护效果，可供相关人员参考。