深部高应力软岩巷道支护技术研究

向品倪

（七冶建设集团贵州化工建设有限责任公司）

目前，矿产资源的开采已逐渐进入深部，深部高地应力条件带来的工程难题备受关注［1］。为了有效解决深部巷道的围岩控制问题，许多学者对深部软岩巷道的支护问题进行了讨论和分析，何满潮等［2］针对普通锚杆不能适应围岩大变形的特点，开发了一种恒阻大变形锚杆；沈曰勇等［3］针对软岩巷道围岩体强度低、断裂松散、遇水膨胀、易解体的特点，提出了全锚支护技术；王健［4］结合锚杆、锚索和注浆的优点，提出了锚杆和注浆的综合支护技术；韩会军等［5］认为高地应力是导致深部围岩变形的重要因素，分析了软岩的破坏机制，提出了适合软岩的支护方法。

深部巷道的围岩控制已经取得了很多成果。但由于深部巷道条件复杂，围岩强度低，应根据不同的围岩特点采取合理的支护方式［6-8］。本文以瓮福磷矿白岩矿区大塘矿段矿区脉外运输巷道为研究对象，分析了原支护方案下深部软岩巷道的变形破坏特征及影响因素，基于理论分析提出了采用“大小承载体”共同控制巷道围岩的稳定性，进而提出了“喷射混凝土+注浆锚杆+锚杆+注浆锚索+锚索”协同加固技术，采用数值模拟和工业试验对该支护方案进行验证，研究结果可为其他类似工程提供一定的参考。

1 工程背景及分析

1.1 工程地质条件

瓮福磷矿白岩矿区大塘矿段矿区岩性复杂，主要包含白云岩、条痕混合岩、泥质白云岩、白云质磷块岩等。在早期的成矿过程中，由于岩浆强烈的活动，使得矿区范围内的地质结构和断层十分复杂，节理裂隙十分发育。巷道围岩主要由泥质白云岩、白云质磷块岩混合岩等构成，岩石破碎，遇水易膨胀，整体性差。

受多次地质构造运动的影响，大塘矿段形成了以水平构造应力为主的高应力矿区。在高地应力影响下，矿区工程地质条件十分复杂，围岩松软破碎，巷道掘进过程中易发生变形破坏，严重影响了矿区的高效生产。

1.2 矿山巷道原支护方案

脉外运输巷道断面为直墙半圆拱形，巷道净断面尺寸为4 800 mm×4 400 mm（宽×高），巷道采用“锚杆网+U 型钢+喷射混凝土”支护方案。锚杆型号为φ22 mm×1 800 mm 水泥砂浆锚杆，间排距均为1 000 mm；U 型钢型号为U36 钢，喷射混凝土标号为C25，厚度为100 mm，钢筋网片采用10#铅丝编织而成，规格为3 300 mm×1 300 mm。

在采用原支护方案后，在脉外运输巷道设置监测站，监测巷道围岩的变形情况。原支护方案下巷道围岩变形监测曲线如图1所示。

由图1 可知，巷道的顶底板移近量最大值为392 mm，两帮移近量最大值为296 mm，底臌量最大值为61 mm。可看出，巷道总体上变形破坏严重，需要对现支护方案进行优化。

1.3 变形特征

（1）拱顶塌陷。研究区发现10起顶板塌陷，约占总数的11%，局部有岩块掉落的现象，拱顶出现许多裂缝，顶板严重下沉，严重影响了巷道的稳定性。

（2）变形持续时间长。巷道的埋深为730 m，围岩强度较低，巷道掘进后，围岩出现了长时间的顶板下沉和侧向收缩的现象，稳定性差。大部分巷道的围岩变形速度为6～8 mm/d，有的可达60～90 mm/d；变形持续较长，部分可持续半年以上。

（3）支护材料破坏。在安设支护材料时，巷道仍处于快速变形期。大多数支护材料在最初安装后就断裂了，修复后仍有断裂发生。表明低强度的支护系统未能控制由围岩变形引起的巨大压力。

1.4 变形机制

（1）岩体的重力应力。随着巷道深度的增加，岩体中储存的内部弹性能量也随之增加。当巷道被开挖时，岩体的应力状态发生紊乱，原来稳定的三维应力场变为不稳定的二维应力场，并释放出巨大的应变能，从而导致巷道的变形和破坏。特别是对于深层软岩巷道，这种情况更为明显。围岩的埋深对巷道的变形影响很大，如果不及时采取有效的支护措施，可能会因变形过大而导致巷道不稳定，造成破坏。

（2）地质条件。巷道的稳定性不仅取决于岩石本身的强度，更重要的是取决于巷道的地质条件，这包括岩体的发育情况、地下水等。一般来说，围岩的地质结构越发育，围岩的完整性就越差。

（3）巷道开挖的方式。巷道掘进采用钻爆法，爆破作用下使得围岩松动破碎，导致巷道浅层围岩周围出现一定范围的松动圈。同时相邻巷道的施工、工作面开采等都会改变岩体应力的大小，造成巷道的不均匀变形，甚至失稳

（4）不合理的支护方案。原方案采用“U型支护+锚杆”，属于被动支护方式，且单一的支护方案很难调动深部巷道围岩的自承能力，会造成巷道的大变形，无法长期保持巷道的稳定性。

2 巷道围岩变形破坏理论分析

2.1 深部软岩巷道围岩力学模型

假设巷道围岩为线弹性体，断面形状为圆形，埋深远大于其半径，巷道围岩的弹性区半径为Rh，塑性区半径为Rs，破裂区半径Rf，巷道的半径为R0，其力学模型如图2所示。

式中，σr为径向正应力，MPa；σθ为切向正应力，MPa；r为径向坐标值，m；Pi为支护阻力，MPa；φ为内摩擦角，（°）；C为黏聚力，MPa。

塑性区半径为［11］

式中，G为弹性模量，GPa，μ为泊松比。

由塑性区范围内的位移计算公式可看出，位移的大小受到P0、φ、C等参数的影响。

2.2 巷道围岩强度的影响

根据瓮福磷矿白岩矿区大塘矿段矿区现场工程实际情况，令支护阻力Pi=0，弹性模量为2.6 GPa，岩体容重为25.5 kN/m3，探究当内摩擦角为30°时，塑性区位移和塑性区半径随黏聚力变化。黏聚力为2.5 MPa时，塑性区位移和塑性区半径随内摩擦角的变化计算结果如图3所示。

由图3可知，不同黏聚力值对岩体塑性区有较大的影响，黏聚力值越大，塑性区半径和塑性区位移越小，围岩体的稳定性越高；而内摩擦角的大小对岩体塑性区的影响较小。

在深部高地应力的环境下，巷道拱顶和两帮发生变形破坏的可能性更大，故需采用集中、高强度的支护方式对巷道拱顶和两帮进行处理。

巷道属于深部巷道，所受地应力较浅部巷道较大，巷道围岩的原地应力区、弹性区、塑性区、破碎区的范围会发生改变，塑性区可以发展为破碎区，弹性区可以发展为塑性区。因此，只有从根本上改变围岩的力学性质，才能保持巷道的稳定性。

3 巷道的稳定性控制技术

3.1 支护方案优化

为了提高围岩的自承能力，采用小承载体—注浆锚杆和普通锚杆组合结构来控制破碎区的发展，采用大承载体—注浆锚索和普通锚索组合结构来限制塑性区的发展。2 种支护结构共同对巷道的围岩进行支护，实现组合支护技术，不仅使承重结构发挥承载能力，而且提高了围岩的自承能力。因此，采用“喷射混凝土+注浆锚杆+锚杆+注浆锚索+锚索”的“双拱协同”加固技术［12］控制深部巷道围岩的变形破坏。一方面，注浆锚杆和注浆锚索改变了围岩的力学性能，提高了围岩的强度；另一方面，锚杆和锚索形成了双拱复合支护结构，保持了巷道的稳定性。

结合巷道的破坏情况和施工条件，巷道支护采用“喷射混凝土+注浆锚杆+锚杆+注浆锚索+锚索”支护方案。锚杆采用φ22 mm ×2 600 mm 高强度左螺旋无纵筋锚杆，间排距均为800 mm；注浆锚杆采用φ25 mm×2 800 mm 中空注浆锚杆，间排距均为1 600 mm。锚索采用φ21.8 mm×7 300 mm 预应力钢绞线锚索，间排距均为1 600 mm；注浆锚索采用φ22 mm×7 000 mm 空心锚索，间排距均为2 400 mm。注浆水泥采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为1∶1，注浆压力为3 MPa。

在打设锚索前，首先在巷道围岩表面内喷射厚度为50 mm的混凝土，将凹凸不平的围岩表面喷平，防止围岩掉块同时方便锚杆索的打设；为了防止锚杆和锚索受到地下水和其他因素的影响，再进行一次厚度为50 mm的喷射混凝土。巷道优化支护方案如图4所示。

3.2 支护方案验证

通过模拟计算软件FLAC3D分别计算原支护方案和优化支护方案下巷道围岩的变形情况。

巷道围岩的垂直位移分布如图5 所示。原支护方案下巷道拱顶的最大沉降量为220 mm，优化支护方案下巷道拱顶的最大下沉量为70 mm，顶板的最大下沉量减少了68%；原支护方案下巷道两帮的最大变形量为200 mm，优化支护方案下巷道两帮最大变形量为80 mm，两帮最大变形量减少了60%。

巷道围岩应力分布如图6所示。由图6（a）可知，在原支护方案的情况下，在巷道两帮和拱脚两侧的底角处分布有较大的垂直应力，且在巷道边墙与拱部相交位置、巷道底角位置出现显著的应力集中现象。垂直应力的分布不均匀。由图6（b）可知，在采用优化后支护方案后，垂直应力峰值的分布相对更加平衡，表明巷道围岩发生变形破坏的范围相对降低了，巷道底板所受垂直应力峰值相对于原支护方案的降了50%以上，优化支护方案有效改善了巷道围岩的应力环境。

巷道围岩塑性区分布如图7 所示。由图7 可知，优化支护方案下巷道的塑性区明显减小，说明优化支护方案下巷道围岩的整体强度明显提高，围岩性质得到改造，只有小部分围岩处于剪切状态。

4 工业性试验

在巷道施工中安装监测站观测巷道表面位移，测站建立初期每天观测1次，根据变形量逐渐调整至每周观测3 次，巷道变形速度较快时，需相应增加观测次数；巷道变形稳定后，可减少至每周1～2 次。观测结果如图8所示。

由图8可知，在180 d的现场观测时间内，拱顶和拱底最大收敛量为111 mm，两帮最大收敛量为82 mm。在前70 d 巷道的变形速度最快，之后的变形速度逐渐放缓，110 d后，巷道的变形和收敛速度基本保持稳定。现场观测结果表明，采用“喷射混凝土+注浆锚杆+锚杆+注浆锚索+锚索”的联合支护方案大大提高了巷道的稳定性。

5 结 论

（1）瓮福磷矿白岩矿区运输巷道属高应力软岩巷道，原支护方案下巷道整体变形严重。通过理论分析得出提高围岩的黏聚力值，可有效提高巷道围岩的稳定性，进而提出“大小承载体”联合控制技术。

（2）基于“大小承载体”联合控制技术，提出了“喷射混凝土+注浆锚杆+锚杆+注浆锚索+锚索”支护方案，注浆锚杆和普通锚杆与围岩可以形成小承载体控制破碎区的发展，注浆锚索和普通锚索与围岩可以形成大承载体限制塑性区的发展，二者共同作用控制巷道围岩的变形。

（3）数值模拟和现场监测结果表明，采用“喷射混凝土+注浆锚杆+锚杆+注浆锚索+锚索”支护方案后，可保持巷道的长期稳定性，为矿井的安全和可持续运行提供了可靠的技术支持。