大断面软岩巷道支护加固技术研究

薛道成

(山西焦煤西山煤电集团公司，山西 太原 030053)

1 概 述

由于煤炭赋存条件的复杂、多变，煤炭开采条件的不可选择性，多数矿井的生产和建设都将面临不同程度、不同数量的软岩巷道开掘及维护难题。特别是服务年限较长的准备巷道、开拓巷道施工、维护，需解决一系列软岩巷道问题，比如巷道自稳时间短、变形大、难维护、返修率高等。加之多数软岩巷道断面较大，巷道变形破坏的影响因素复杂[1]，在支护设计中，要考虑多方面影响因素的严重程度、作用机理。根据软岩特性，采用主动组合支护手段，使施工工艺在空间、时间、围岩特性三方协调，变形在控的新型耦合支护技术，即三维协控支护技术。本文结合古交矿区复合顶板煤矿软岩巷道支护实际，通过围岩物理力学特性研究、现场地质资料分析、矿压显现规律的定性和定量研究，借助数值分析、相似模拟等手段，提出三维协控支护技术方案，并进行现场试验，取得了预期效果。

2 巷道地质条件

2.1 巷道断面特性

本文研究软岩大断面巷道以马兰矿南部轨道下山为实验对象，巷道断面形状为半圆拱形，净宽4.2m，净高3.5m，净断面积12.8m2，其间车场巷道净断面积15.7m2，巷道顶底板、两帮移近量局部高达1.0m，平均移近量大于600mm，且巷道处于长期流变、蠕变状态，巷道断面不能满足生产需要，需频繁返修，严重影响正常生产，造成采掘接替紧张。

2.2 巷道层位及构造

巷道施工过程中，主要揭露岩性为：泥岩，厚度较大(平均>5.0m)，灰色、块状、含植物化石碎片，局部较破碎；粉砂岩(平均>2.5m)、铝质泥岩(平均>7.5m)，局部穿过中、细砂岩(平均<2.0m)，浅灰色、薄层状、坚硬，含石英及暗色矿物，水平状层理。

巷道构造情况：该处煤岩层产状变化较大，施工范围内基本为北北东向，倾角50～160。

3 巷道围岩特性

3.1 微观矿物组成

南部轨道下山顶板岩石所含矿物，包括非黏土矿物石英、方解石、黄铁矿、菱铁矿、角闪石，黏土矿物伊利石、高岭石、伊蒙混层，岩石表现为易风化、易膨胀、易脆性碎粒破坏特性，抵抗风、水及其他化学环境侵蚀的能力较差，对岩石的整体长期稳定不利。

3.2 微观结构

南部轨道下山岩石整体属层状构造，连通性较好、微裂隙发育、联结强度较弱，对整体结构及强度影响较大。粒间、层间空隙发育，空隙由黏土矿物及部分黑色机质充填，容易产生局部层间错动或碎粒状破坏。层理结构明显，强度低、硬度小、结构完整性较差，对环境的适应性不强。在施工及支护中，应注意控制变形及围岩的封闭，并在合理设计支护强度的条件下，保持连续可控变形。

4 支护方案设计

4.1 锚杆参数计算

4.1.1 锚杆长度

通常锚杆长度等于外露长度l1、有效长度l2与锚固段长度l3之和。即

l=l1+l2+l3

式中：l为锚杆总长度，m；l1为锚杆外露长度，不大于0.15m；l2为锚杆有效长度，m；l3为锚杆锚固长度，取0.3～0.4m。

结合本巷道支护结构，l2按组合梁(拱)理论计算较合理，计算公式如下：

式中：q为组合梁上的均布荷载，MPa；σx为原岩水平应力，σx=λγ·Z，MPa；σt为岩石抗拉强度，MPa；ξ为组合岩层数目的系数，0.75；k1为抗拉安全系数，取2～3；λ为侧压力系数，0.5；L为巷道跨度。

将巷道数据代入公式计算得：

l2=0.193×4.2

代入公式，l=l1+l2+l3=0.15+1.69+(0.3～0.4)=2.14～2.24m

帮部锚杆长度：考虑锚杆支护材料配套及帮顶松动破坏范围的关系，帮部锚杆长度对应为2.2m或2.4m，为材料的统一配置，顶帮锚杆长度都取2.4m。

4.1.2 锚杆的锚固力

锚杆的锚固力P(kN)取决于岩石硬度，按下式计算：

式中：d为锚杆直径，m；f为锚固段岩层的硬度系数；σt为锚杆杆体的极限抗拉强度，MPa。直径为φ20mm的锚杆的抗拉强度能达到500MPa。

带入数据，得顶锚杆的锚固力P顶=85.7 kN；帮锚杆的锚固力为P榜=85.7kN。

4.1.3 锚杆的间距、排距计算

通常间、排距相等，取为a。并根据锚杆的锚固力应大于被悬吊岩石的重量的原则确定，即：

式中：a为锚杆的间、排距，m；K为无因次安全系数，3～5；Q为锚杆的设计锚固力，85kN；γ为被悬吊岩石的重力密度，取25kN/m3。

考虑炮掘施工安全系数，实际a取0.7m，可满足生产需求。

4.2 锚索参数计算

4.2.1 锚固长度

在锚索支护设计中，应保证钢绞线与胶结体有足够的黏结强度，才能保证锚索的支护效果。大量工程实践表明：树脂药包锚索锚固长度应≥1.0m。使用1支K2370、2支Z2370树脂锚固剂的实际锚固长度为：

2377.98mm>La

能满足锚索生根稳固岩层的要求。

4.2.2 锚索长度

锚索宜锚固在围岩内部较稳定的岩层中。锚索长度按下式计算：

L=La+Lb+Lc+Ld

式中：L为锚索的总长度，m；La为锚索深入到较稳定岩层的锚固长度，取1.1m；Lb为需要悬吊的不稳定岩层厚度，根据南部轨道下山煤岩综合柱状图，取8.0m；Lc为上托板及锚具的厚度(一般≥0.1m)，取0.15m；Ld为需要外露的张拉长度(一般≥0.2m)，取0.25m。

考虑直接顶厚度的不均匀性和施工影响因素，安全系数取1.05～1.1，则南部轨道下山锚索的长度为：LS=9.975～10.45m。

故，锚索长度选取10.5m为宜。

4.2.3 锚索支护密度

式中：N为锚索数目；P1为锚索的最低破断力；W为每平方米巷道的静压力，W=∑h·∑γ； ∑h为悬吊的岩层厚度； ∑γ为悬吊的岩层的平均容重。

潜在的冒落高度一般为1.5倍的巷道宽度，计算得6.3m。

锚索的最低破断载荷P1为353kN，考虑到锚杆支护体系的应有作用，安全系数K取1.1，则N=1.1×6.3×25/353=0.49根/m2，该数值为锚索支护应有的支护密度。

锚杆排距为700mm时，当锚索排距3×700=2100mm，则每排需要的锚索数量n=2.1×4.2×0.49=4.32根，考虑后续注浆加固发挥围岩自承能力，取3根。

4.3 数值分析

本文应用FLAC3D对巷道底角锚杆的位置及下扎角度进行数值模拟分析，通过调整其距底板的距离及下扎角度(与底板水平面夹角)两个参数，对比分析巷道塑性变形破坏范围、顶底板移近量、两帮移近量，确定距底板的距离200mm、下扎角度150时，支护效果最佳。由于篇幅所限，模拟过程及图表略。

故在方案设计中，巷道底角锚杆布置如图1所示。

4.4 支护方案

主要对策为组合式支护措施，主要支护环节为：围岩注浆以提高围岩整体性和强度；利用锚索调动深部围岩强度；加固两帮控制内移；全断面后路注浆提高围岩整体稳定性及自承能力，采用底角注浆锚杆控制巷道底板稳定性[2-5]。

(1)锚杆规格及其布置。使用φ20左旋螺纹钢高强度(粗尾)锚杆，长度为2400 mm，巷道两底角锚杆与水平面夹角为15°，其余锚杆均垂直巷道表面布置(图1)。

(2)锚固方式。采用K/Z2370速凝树脂药卷，每个钻孔需1根药卷。

(3)顶板铺设钢筋网、两帮加钢筋梯。

图1 南部轨道下山锚杆(索)支护方案

(4)锚索。采用预应力锚索，长度取10.5 m，结合施工实际实时调整具体长度。初步确定锚索间距布置如图1所示。使用3支K/Z2370的树脂药卷加长锚固。

(5)围岩注浆补强加固。注浆锚杆将锚固和注浆结合在一起，提高岩体强度，形成承载结构、改善赋存环境[3]。注浆锚杆长2.4 m，间距(1.6m)、排距为1.4m(扩散半径0.8～1.0m)，除下底角注浆孔(与水平方向偏下夹角30°)外，其余孔均垂直巷道岩面布置，注浆孔布置见图2。

图2 注浆技术方案

4.4 支护效果分析

4.4.1 变形量

巷道位移及收敛速率是反映巷道围岩变形和稳定性状态的重要指标。课题组于2009年7月21日～2009年8月29日和2009年9月5日～2009年10月15日两个时段，在现场进行了巷道围岩变形观测。

图3和图4分别是巷道掘出后，第I测站和第Ⅱ测站巷道围岩表面位移量、位移速度随时间的变化情况。可看出，南部轨道下山掘进期间两帮和顶底收敛位移随时间的变化特征。

掘进期间巷道变形观测结果见表1、表2。

4.4.2 变形速度

掘进影响期巷道表面位移量较大，14d掘进进尺29.4m，巷道两帮位移为99mm，两帮位移速度最大为6.0～6.1mm /d，顶板位移量47mm，底臌量为113mm，顶底位移速度最大为5.3～9.2mm /d。

进入稳定期后，巷道表面位移量增速大大降低，两帮位移速度在0.3～0.7mm /d左右。

表1 掘进期间巷道表面变形情况一览表

表2 南部轨道下山表面位移观测统计整理表

图3 掘进期间第I测站围岩收敛曲线

5 结 论

(1)软岩巷道支护设计，必须掌握软岩类型及变形破坏机理，需特别注意对巷道底板的加固，将巷道顶、帮、底视为巷道系统的统一体，三方实现稳定互补互助。

(2)为了充分发挥喷浆对巷道环境适应性及整体稳定性的提高作用，以便发挥围岩潜在的自承能力，须结合巷道变形实际，合理确定喷浆厚度、初喷和复喷时间间隔及其他喷浆参数。

(3)支护设计需结合巷道围岩变形破坏特征，采用三维协控技术。在方案设计中，采用的支护材料须几何尺寸、特性协调配合，施工工艺在时间和空间上与围岩变形耦合，保证巷道变形在控。

(4)通过现场试验，认为本文所采用的支护技术对类似巷道支护有效，具有实际应用价值。

(5)锚注补强加固对软弱围岩巷道具有很好效果，但须注意注浆材料选择，注浆时间、注浆压力、注浆量等参数的合理协调和优化。

图4 掘进期间第Ⅱ测站围岩收敛曲线

[1] 兰永伟, 张永吉，等. 深部开采条件下巷道底臌机理的研究[J]. 矿业研究与开发，2005，25(1).

[2] 何满潮. 中国煤矿软岩巷道支护理论与实践[M],徐州: 中国矿业大学出版社, 1996:112-117.

[3] 董方庭. 巷道围岩松动圈支护理论及其应用技术[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2001.

[4] 王希良,彭苏萍,杜木民．三软煤层顶板工程地质分类及变形机制[J]．矿山压力与顶板管理,2005(2):49-52.

[5] 何满潮, 景海河, 孙晓明. 软岩工程力学[M]. 北京: 科学出版社, 2002.