深部软岩巷道支护设计优化与监测分析

尹志龙 田春光 杨晓杰

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083; 2.黑龙江龙煤矿业集团股份有限公司鹤岗分公司，黑龙江鹤岗 154107)

0 引言

煤巷在掘进施工的过程中，经常会遇到落差较大的断层构造。断层构造造成巷道围岩性质发生变化、顶板碎裂、支护困难［1，2］。巷道穿过断层区域岩石较破碎。巷道围岩应力集中，压力较大，顶板管理较困难，给巷道施工带来较大的难度，造成前掘后修、支护强度不能满足安全生产需求的局面［3］。因此，如何快速安全地过大断层，成为人们关注的问题。鸟山煤矿轨道大巷在掘进中穿过多个断层，地质构造复杂、围岩破碎、裂隙发育、构造应力大。常规的巷道支护技术和施工方法难以保证支护结构的稳定性。因此，必须针对该种特殊情况设计出针对性强的支护方案才能保证巷道的稳定。

1 工程概况

鸟山井田8号煤层为本区的稳定可采煤层，全区分布，发育良好，煤层厚度2.18 m ～10.38 m，平均6.44 m，结构复杂，含夹石0层～4层，一般0层～2层。煤层顶底板以直接顶为主，老顶次之，岩性主要为泥岩，局部为粉砂岩，直接顶下零星分布有伪顶，厚0.2 m～0.8 m，老顶分布不连续，岩性为中、粗砂岩或细砂岩，厚2.9 m～7.0 m。底板岩性主要为砂质泥岩、泥岩，在西南部为粉、细砂岩，在东北部及东部中段边缘亦由粉、细砂岩底板分布，底板厚度1.47 m～4.50 m，顶底板岩石力学参数见表1。

表1 岩石力学实验成果表

鸟山煤矿的轨道大巷穿过多个断层，地质构造复杂，围岩破碎，裂隙发育，构造应力大。巷道原设计为矩形断面，锚网索联合支护。巷道在掘进后出现严重的片帮破坏现象，两帮补打加密锚杆也未能对片帮进行有效的控制。巷道顶板泥岩属于典型的膨胀性软岩遇水泥化软化无法与锚固剂有效的粘合使锚索支护失效。

2 巷道断面设计

2.1 断面设计

轨道大巷围岩稳定性较差，松散破碎易产生塑性变形及蠕变变形，巷道存在的地质构造应力场的影响使巷道具有较大的多向不稳定矿压，因此应采用曲墙拱断面，可减小作用在两帮的侧向围岩压力，可有效降低顶板的下沉和两帮的片帮。巷道净断面尺寸的确定和常用的巷道断面基本相同。首先，由运输设备的尺寸，人行道尺寸以及必要的安全间隙构成基本矩形断面，然后，使该矩形断面内接于马蹄形曲线内，使之既符合《煤矿安全规程》的有关规定，又尽量提高断面的利用率。巷道断面尺寸如图1所示。

2.2 巷道支护设计

巷道支护断面见图2，巷道技术特征见表2。支护后的巷道现场见图3。

表2 轨道大巷支护技术特征

3 现场监测

3.1 测站设置

测力计布置图见图4。

3.2 监测数据及结果分析

监测结果见图5～图9。

通过锚杆受力实时监测的数据表明，锚杆受力变化最大值为17 kN，最小值为1 kN，锚杆受力在达到峰值后逐渐趋于稳定，最大值均没有达到设计锚固力100 kN，处于安全状态。

4 表面位移监测

4.1 监测方案

选取巷道开挖后的50 m内作为监测段，共设置3个观测站来测量巷道收敛变形，若发现有围岩破损严重的断面可在此处增设观测站。

测站处的观测断面设置3个收敛量测点，即在两帮、顶底板各设一个测点，参见图10。方法如下:

1)使用仪器:采用尼康TC-452全站仪，测角精度2″，测距精度±(2 mm+2 ppm)。2)A，B，C三组点的观测:任意摆仪器测出22号点，A号点，B号点，C号点四个点的相对点高。以22号点为参照点求出三组点的相对高差，对比每次测出的相对高差观察顶点的下沉情况。3)三组点两帮的观测:任意摆仪器测出B号点，C号点对应两帮点的水平距离(L)及两帮点的水平夹角(A)，根据三角形余弦定理算出两帮点的相对距离(S)。S2=L2左+L2右－2×L左×L右×cosA。

对比每次测出的相对距离来观察两帮点的相对位移。

4.2 监测结果及分析

监测结果如图11～图22所示。

监测数据显示:测站1顶板与两帮在开挖23 d后变形稳定，累计收敛量均为31 mm;测站2顶板在开挖完成后出现顶板上隆现象，但持续时间较短，1 d后开始下沉，30 d后变形趋于稳定，累计下沉量为27 mm。测面两帮在开挖31 d后收敛量趋于稳定，累计收敛量56 mm;测站3在开挖完成23 d后顶板收敛趋于稳定，累计下沉量达到35 mm。两帮在25 d后稳定，累计收敛量为72 mm。

综合上述分析，巷道在开挖后呈现一定时间的加速变形，但一般在25 d～30 d左右变形基本稳定。顶板、两帮收敛量分别为35 mm，72 mm。

此外，在大巷1号测站出现两帮向外轻微扩张、2号测站顶板出现轻微的向上隆起、3号测站出现巷道两帮变形量大等现象，分析认为应该是不同围岩条件对巷道断面的影响造成的，因此，应该坚持监测，根据围岩情况灵活优化巷道断面和支护方案，实现信息化施工。

5 结语

1)通过将矩形断面改为曲墙拱形，减弱了地质构造应力场对巷道产生的具有较大的多向不稳定矿压，该断面可有效降低顶板的下沉和两帮的片帮。2)通过监测发现:采用锚喷网支护技术，可有效改善软岩巷道围岩的应力状态，防止井巷冒顶与片帮，进而稳定和控制围岩松动圈的进一步发展。3)在总结现有锚杆支护参数设计的基础上，针对深部软岩巷道的特点，依据巷道围岩物理力学参数，提出了“工程地质资料分析—初始设计—现场监测—信息反馈—设计优化”的巷道支护参数动态性、系统性、信息化的锚杆支护设计方法，将设计与监测有效的结合在一起。4)本方案使鸟山轨道大巷支护平均月单进提高36.9 m，直接节约经济投资1 026.70元/m。对于减少巷道维护工作量，增加矿井产量、提高矿井的技术经济效益、改善矿井安全生产环境具有重要的现实意义。

［1］孙小明，武 雄，何满潮，等.强膨胀性软岩的判别与分级标准［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(1):128-132.

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