深部大断面软岩巷道的围岩稳定性控制研究

陈璋林 侯明明 储丹东

（济宁矿业集团有限公司霄云煤矿，山东 济宁 272213）

1 工程概况

1.1 巷道布置

霄云煤矿西翼轨道下山为西翼开拓工程的一部分，用于满足三采区通风、运输和行人的需求。巷道断面为直墙半圆拱形，净宽5.0 m，净高4.15 m，其中墙高1.65 m，拱高2.5 m；荒宽5.3 m，荒高4.45 m，其中墙高1.8 m，拱高2.65 m。巷道顶板主要为细砂岩与粉砂岩，岩石硬度系数f=4～6。

1.2 原支护方案

在西翼轨道下山掘进过程中，随着埋深的不断增加，岩层的应力状态发生变化，形成围岩变形、破坏等现象，威胁巷道的安全性。巷道原支护方案为“锚网索梁+喷浆”联合支护，如图1。

图1 西翼轨道下山原支护方案（mm）

采用MG500 - Φ22 mm × 2400 mm 高强预应力让压锚杆，拱顶锚杆间距为800 mm，帮部锚杆间距为750 mm，锚杆排距为1000 mm，预紧力矩300 N·m。沿巷道掘进方向在巷道中心线及两侧各偏2000 mm 施工锚索，按照“1-2-1”迈步式布置。锚索梁采用12#槽钢加工，长3000 mm，分别距两端各500 mm 割一锚索孔，孔间距为2000 mm，锚索预紧力设计值为150 kN。

1.3 问题简述

矿区地应力分布以水平构造应力为主，最大主应力方向近北东-南西，与巷道轴线夹角最大为70°。受水平应力的影响，巷道帮部围岩变形较大，同时出现明显的底鼓特征，掘进的巷道在施工半年后便需采取修复工作。当前的支护方案不足以维持巷道在服务年限内的稳定性，需采取优化设计[1-4]。

2 支护优化方案

2.1 锚杆锚索长度与间排距

在锚杆-锚索支护系统中，锚杆的作用主要为在巷道围岩中形成组合梁或组合拱结构，锚索将锚杆加固拱向岩层深部拖拽，表现为深层悬吊作用。在软岩巷道的围岩稳定性控制中，锚杆的作用降低，主要靠锚索发挥作用。结合现有支护材料并考虑一定的富余系数，巷道选取锚杆长度为2.6 m，锚索长度为6.5 m。

锚杆间排距计算采用加固拱，在锚杆锚固力作用下，每根锚杆周围形成一个锥形压缩区，各压缩区彼此联成一个具有一定厚度的加固拱。依据《煤矿巷道锚杆支护技术规范》（GB/T 35056-2018），计算并选取巷道拱部锚杆间排距为800 mm× 1000 mm，锚索间排距2000 mm× 2000 mm。巷帮锚杆间距取800～1000 mm，排距取1000 mm；锚索间距取1600～2000 mm，排距取2000 mm。

2.2 预紧力设计

为有效控制巷道围岩的变形和离层，锚杆（索）必须给围岩可靠的支护阻力。当锚杆材质一定时，支护阻力的大小与杆（索）体半径的平方成正比。不同型号锚杆的力学性能见表1、表2。

表1 不同材质锚杆拉断载荷

表2 不同材质锚杆屈服载荷

1）Ф22 mm×2400 mm 锚杆预紧力计算分析。软岩大巷建议采用MSGLW-22-500 左旋螺纹钢高强度锚杆，屈服载荷190.1 kN，破断载荷254.7 kN。根据《煤矿巷道锚杆支护技术规范》（GB/T 35056-2018）中的要求，软岩巷道宜采用高预应力（大于锚杆屈服力的30%）、高强度（杆体屈服强度大于500 MPa）螺纹钢树脂锚杆。现场预应力取锚杆屈服力的35%，即65 kN。

2）Ф21.8 mm×6500 mm 锚索预紧力计算分析。现场大量的工程实践表明，锚索安装后多存在预应力损失，原因在：① 锚索钢绞线在地应力作用下会发生变形，从而产生松弛损失，此为材质源应力损失；② 锚具都存在夹片回缩问题，其中QM、YM、OVM 型锚具钢绞线的回缩量约为6 mm，由锚具等构件造成的锚索预应力损失可称为结构预应力损失；③ 岩体本身具备非均质、不连续性和各向异性，围岩承载过程中往往出现蠕变、流变大变形等，此为蠕变预应力损失；④ 锚索的张拉系统包括油泵、油表、油管和千斤顶等部分，张拉系统的摩擦损失为2%～4%，此为施工工艺预应力损失。

采用Ф21.8 mm 的锚索，其工程使用强度为454 kN，其预应力取工程使用强度的30%，即135 kN。考虑到锚索的预应力损失，本次按照70%，锚索预应力设计为200 kN。

3）锚固参数设计。锚杆采用1 支MSK2550 锚固剂，对应锚固长度为1042 mm；锚索采用2 支MSK2550 锚固剂，对应锚固长度为2024 mm。

2.3 巷道支护优化

采用数值模拟方法对巷道围岩应力分布状态进行分析，结果如图2、图3。应力集中区主要有向拱顶和底板内部围岩延伸的趋势，巷道拱顶和底板塑性区的范围较大。

图2 围岩最大主应力

根据围岩的应力分布特征，在原支护方案的基础上增加帮部、底角锚索并采取反底拱，以加固巷道围岩并防止底鼓情况的加重。新增锚索长度为4500 mm，帮部锚索位于拱基线位置两根锚杆中间，钻孔垂直于巷道表面；底角锚索钻孔位于底角两根锚杆之间，下扎10°～30°，具体位置和方向以满足现场施工可行性为宜。新增锚索与拱顶锚索形成五花布置，如图4。

2.4 支护应力场分布特征

以锚杆预紧力50 kN、间排距1000 mm×1000 mm 为例，单根锚杆在围岩表面形成的有效支护应力平均为0.05 MPa，故以围岩中支护应力达到该值时作为有效支护应力场。上述支护方案的应力场分布特征如图5。

图5 围岩有效支护应力场

支护应力场主要分布在锚杆支护圈内，锚索锚固端形成小范围有效支护应力区，锚索托盘端支护应力最大，达到0.5 MPa。在研究锚杆、锚索预应力场的基础上，得出所设计的优化支护方案在巷道围岩中形成可靠的支护圈层，其范围超出围岩塑性区的发育区间，可以维持巷道围岩的稳定。

2.5 应用效果

采取优化支护方案优化后，采用十字布点法对巷道变形进行监测，结果如图6。原支护方案条件下顶底板最大移近量达到500 mm，两帮移近量为350 mm。采取优化方案后围岩的持续变形时间段明显下降，巷道位移量不超过180 mm。现场观察结论验证了优化方案的安全性、有效性和稳定性。

图6 巷道位移监测

3 结论

针对霄云煤矿深部大断面软岩巷道的围岩稳定性控制难题，以当前阶段正在掘进的西翼轨道下山为例，分析了巷道围岩的应力场和屈服特征，提出了对应的优化支护方案和参数。实践检验证明，所采取的控制策略合理有效。