軟巖巷道變形破壞特征及支護(hù)控制對(duì)策

王義鋒

（同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司，山西 大同 037003）

1 工程概況

同忻煤礦北軌道運(yùn)輸大巷設(shè)計(jì)為半圓拱斷面，支護(hù)方式為“錨網(wǎng)+水泥噴漿”，局部巖性破碎和穿煤層地段設(shè)計(jì)為錨索加強(qiáng)支護(hù)。直接頂為粉砂巖，底板為軟弱泥巖。巷道凈寬5.5m，墻高1.95m，傾角1～3°。北軌道運(yùn)輸大巷支護(hù)不到7d的時(shí)間內(nèi)，巷道整體出現(xiàn)了明顯變形破壞，之后進(jìn)行了三次拓幫、挑底，但是在返修后，大巷在不到72h的時(shí)間內(nèi)又出現(xiàn)了大范圍破壞變形問(wèn)題，給正常生產(chǎn)帶來(lái)了非常大的影響。

2 北軌道運(yùn)輸大巷變形破壞主要特征

（1）左右巷幫破壞差別很大，非對(duì)稱(chēng)性顯著。在北軌道運(yùn)輸大巷出現(xiàn)嚴(yán)重變形后，對(duì)大巷進(jìn)行了挑頂、拓幫、起底，部分返修段同時(shí)又使用U18型支架對(duì)巷道進(jìn)行加固，但是在使用不到3d后，巷道又出現(xiàn)了明顯的非對(duì)稱(chēng)變形，見(jiàn)圖1所示。

圖1 巷道非對(duì)稱(chēng)變形明顯

（2）巷道圍巖變化率很快。技術(shù)人員對(duì)北軌道運(yùn)輸大巷進(jìn)行二次返修并對(duì)巷道圍巖進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析：巷道圍巖主要呈現(xiàn)收斂移動(dòng)和變形，其中巷道頂?shù)装逡平窟_(dá)到71mm/d，兩幫移近量達(dá)到68mm/d，部分圍巖較軟地段移近量甚至超過(guò)了100mm/d。這種變化說(shuō)明了原支護(hù)方式無(wú)法有效起到支撐作用，也沒(méi)有將圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深處。

（3）巷道圍巖泥化現(xiàn)象明顯。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)北軌道運(yùn)輸大巷圍巖出現(xiàn)了大范圍的泥化，部分巷道頂板甚至出現(xiàn)了泥巖“下滴”而形成了明顯的“小山”。如圖2所示。

圖2 頂板“下滴”形成“小山”

3 北軌道運(yùn)輸大巷變形破壞機(jī)理

3.1 圍巖強(qiáng)度較低且黏土性礦物含量較高

為掌握北軌道運(yùn)輸大巷圍巖條件，對(duì)北軌道運(yùn)輸大巷圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)，具體結(jié)果詳見(jiàn)下表1。

表1 北軌道運(yùn)輸大巷圍巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

從表1中可知，北軌道運(yùn)輸大巷圍巖整體強(qiáng)度較小，屬于較軟弱巖層，極限承載能力較差。巷道開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖應(yīng)力平衡被打破，且加之人為擾動(dòng)影響，容易形成壓力釋放區(qū)域，從而使巷道圍巖在一定深度內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重破壞，整體性被打破。為了研究分析圍巖種類(lèi)對(duì)巷道變形破壞的影響程度情況，在此利用“D/Max-3B型X射線(xiàn)衍射儀”對(duì)同忻煤礦北軌道運(yùn)輸大巷巷道圍巖的礦物成分進(jìn)行分析，具體結(jié)果見(jiàn)下表2所示。

表2 巷道圍巖組成成分表

從表2中可看出：巷道圍巖組分中，高嶺石、伊利石等膨脹性軟巖成分所占比重較大，這類(lèi)軟巖遇水后易出現(xiàn)分解、風(fēng)化、膨脹及軟化等現(xiàn)象，會(huì)嚴(yán)重影響巷道圍巖整體強(qiáng)度，其中以蠕變變形最為明顯。由此可以得出以下結(jié)論：由于同忻煤礦北軌道運(yùn)輸大巷巷道圍巖中含有較多膨脹性軟巖成分，大大影響了巷道圍巖強(qiáng)度，無(wú)法應(yīng)對(duì)應(yīng)力集中，因此出現(xiàn)了較嚴(yán)重的變形破壞現(xiàn)象。

3.2 巷道所處層位地應(yīng)力相對(duì)較高

地應(yīng)力是巷道破壞的主要原因，地應(yīng)力越大越集中，巷道破壞越嚴(yán)重。在此利用“小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量?jī)x”對(duì)同忻煤礦北軌道運(yùn)輸大巷圍巖進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示：（1）大巷最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，其值達(dá)到了29.8MPa；垂直29.8MPa，垂直應(yīng)力為19.1MPa，測(cè)壓系數(shù)超過(guò)1.5；（2）單從北軌道運(yùn)輸大巷圍巖強(qiáng)度分析其圍巖級(jí)別屬于Ⅲ級(jí)，但是受“軟巖成分”影響，其整體強(qiáng)度屬于Ⅳ級(jí)，且具有較明顯的軟巖特征；（3）巷道經(jīng)多次返修依然沒(méi)有使地應(yīng)力釋放及轉(zhuǎn)移到圍巖深處，因此無(wú)法保證返修效果。

3.3 支護(hù)錨桿的“三徑”匹配不合理

從原支護(hù)中錨桿支護(hù)的參數(shù)來(lái)分析，其設(shè)計(jì)的錨固劑Φ23mm，但是設(shè)計(jì)選擇的鉆頭Φ28mm，支護(hù)使用的錨桿Ф16mm，該種支護(hù)方式在具體支護(hù)的過(guò)程中，必然出現(xiàn)錨桿“松塌”的情況，形成“手套效應(yīng)”，錨桿支護(hù)的效果必然得不到較好發(fā)揮。

4 北軌道運(yùn)輸大巷穩(wěn)定性控制對(duì)策

結(jié)合同忻煤礦實(shí)際情況，考慮到北軌道運(yùn)輸大巷所處實(shí)際層位及圍巖地質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)“預(yù)留變形空間+錨網(wǎng)索+針對(duì)性補(bǔ)強(qiáng)錨注”的聯(lián)合支護(hù)方案。

4.1 預(yù)留變形空間的設(shè)計(jì)

經(jīng)多次返修，同忻煤礦北軌道運(yùn)輸大巷破壞問(wèn)題依然沒(méi)有得到有效制止，偏移量依然巨大。因此在本次返修工程中設(shè)計(jì)并預(yù)留了較大的巷道變形空間（四周各留250mm），給了地應(yīng)力較為充分的釋放空間，采取了“疏導(dǎo)和支護(hù)”相結(jié)合形式。

4.2 錨網(wǎng)索支護(hù)+針對(duì)性補(bǔ)強(qiáng)錨注支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）錨桿支護(hù)參數(shù)。頂板與兩幫錨桿均選擇使用左旋螺紋鋼錨桿Ф22mm，長(zhǎng)度為2600mm，每根錨桿配合使用2卷樹(shù)脂錨固劑，間排距設(shè)計(jì)均為800mm。

（2）錨索支護(hù)參數(shù)。為更好發(fā)揮出錨索的懸吊作用，將深部圍巖對(duì)淺部圍巖穩(wěn)定的懸吊作用發(fā)揮出來(lái)，設(shè)計(jì)頂板對(duì)稱(chēng)布置3根鋼絞線(xiàn)錨索Ф17.8mm，長(zhǎng)度為8200mm，間排距均為1600mm；考慮到底板出現(xiàn)了大范圍的整體鼓起，在巷道底板設(shè)計(jì)對(duì)稱(chēng)布置，間距為2400mm，排距為1600mm。每根錨索配合使用4卷樹(shù)脂錨固劑。

（3）鋼筋網(wǎng)與噴層參數(shù)。選擇使用高強(qiáng)度鋼筋網(wǎng)Ф12mm，網(wǎng)格為120mm×120mm，搭接長(zhǎng)度為120mm。噴層選擇使用高強(qiáng)度混凝土，厚度為100mm。

（4）底板對(duì)稱(chēng)布置三個(gè)注漿孔，孔深為2400mm，間排距為2000mm×1600mm，如圖3所示。

圖3 巷道返修支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖

5 效果

對(duì)北軌道運(yùn)輸大巷實(shí)施上述返修方案后，使用“十字布點(diǎn)法”對(duì)北軌道運(yùn)輸大巷位移情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得到了北軌道運(yùn)輸大巷位移情況，如圖4所示。

從圖4中可看出，巷道在返修5d后基本上達(dá)到了平衡狀態(tài)，巷道總體位移較為平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)急劇增加的情況，符合巷道支護(hù)圍巖控制規(guī)律。從巷道最終的位移情況來(lái)看，巷道頂?shù)装遄畲蟮囊平吭?20mm，兩幫移近量接近60mm，總體均在巷道可控范圍內(nèi)，返修方案達(dá)到了巷道支護(hù)要求。

圖4 返修后巷道表面移近量