软岩大变形破坏巷道修复治理研究

马垄翔，朱师波，柳 霖，武文越

(1.内蒙古科技大学 矿业工程学院，内蒙古 包头 014010;2.中国平煤神马集团平煤股份一矿，河南 平顶山 467000)

当前我国煤矿巷道支护中，以软岩为主的巷道比例占到总数的10%以上。在软岩内布置巷道，巷道开挖后围岩变形速度快、持续时间长、变形量大、巷道易产生底鼓、稳定性差、极难维护［1］。因此，软岩巷道支护问题成为煤矿安全生产亟待解决的难题［2］。

1 工程概况

1.1 巷道工程地质概况

郁山煤矿－220 m水平轨道大巷为该矿北翼主要运输巷道，担负着郁山井田北翼采区煤炭回采时的通风、煤炭运输、行人运料的任务。该区揭露的含煤地层自上而下依次为二叠系上统上石盒子组，厚146.40 ～218.55 m，平均厚 193.95 m;二叠系下统下石盒子组，厚 271.45 ～292.27 m，平均厚 277.92 m;二叠系下统山西组，厚 73.14～102.84 m，平均厚85.66 m;石炭系上统太原组，厚 24.46 ～35.74 m，平均厚28.04 m;石炭系上统本溪组，厚 4.69 ～16.61 m，平均厚8.46 m。

该轨道大巷为穿层巷道，穿过的岩层主要有泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩等，岩石强度低，遇水易软化，地层构造复杂。巷道原支护技术为锚杆+金属网+U型钢可缩性金属支架等联合支护的方式，断面形状为直墙半圆拱形，断面尺寸为3.4 m×3.3 m，净断面积12.8 m2，锚杆间排距700 mm ×700 mm，巷段部分地段采用锚索加强支护。

1.2 巷道围岩组分分析

根据研究需要，在东翼运输大巷进行取样，采用日本理学(Rigaku)公司生产的D/Max－3B型Х射线衍射仪进行X射线衍射实验，衍射图谱见图1。

图1 样品X－射线衍射图谱

X射线衍射结果分析:郁山煤矿岩样为一般常见矿物，样品主要成分是高岭石，有中等含量的石英、伊利石或伊蒙混层等矿物，含少量蒙脱石，具有一定的膨胀性。从以上分析结果可以得出，该巷道围岩岩性具有明显的软岩物理特征。

2 巷道围岩变形破坏机理分析

1)巷道围岩岩性差。

巷道围岩强度低且层理发育，该轨道大巷为穿层巷道，穿过的岩层主要有泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩等，岩石强度低，遇水易软化，地层构造复杂。根据围岩矿物组分实验室测定结果可知，围岩中矿物具有一定的膨胀性。由于围岩中主要矿物成分为高岭石，因此，围岩遇水易泥化崩解，使得围岩强度显著降低。尤其在巷道围岩为泥岩和炭质泥岩中，巷道变形最为严重。

2)巷道围岩受水理作用影响明显。

由于东大巷涌水量较大，巷道围岩层理裂隙较发育而形成导水通道，同时围岩中含有大量亲水性矿物，使得巷道围岩受水的侵蚀泥化、崩解、膨胀现象严重，从而进一步加剧了巷道围岩力学性质的恶化。

3)巷道支护形式不合理、支护强度弱。

东大巷原支护采用锚网棚支护，围岩变形破坏后采用U型钢可缩性支架架棚支护。由于巷道围岩软弱，层理裂隙发育，受到采动影响后，围岩塑性区范围大，锚杆的锚固段受到破坏，锚固力降低，从而导致锚杆支护失效;受到水的影响后，围岩变形进一步加大。采用U型钢棚支护后，不重视壁后充填，使得U型钢棚受力不均，在局部受到集中载荷作用下，支架承载能力大幅度降低，不能有效控制围岩的破坏变形。由于未能有效维护巷道底板，巷道两帮和两底角应力集中程度大，引起巷道底板鼓起，两帮角严重内移，又进一步降低了U型钢支架的承载能力。

3 修复方案的确定

根据上述对该巷道破坏机理分析，提出了巷道修复方案:

1)适当刷大巷道断面，预留变形量。

2)初喷及时封闭围岩，提高围岩的表面强度并消除环境效应对围岩强度的影响。

3)背网架设马蹄形U型钢可缩性支架优化巷道断面，并有控制地释放围岩中的变形能。

4)采用锚注技术实施金属支架壁后充填，并对围岩内部和表面的裂隙进行充填，提高围岩自身承载结构的整体性，改善支架的受力状态。

5)实施锚索梁对巷道关键部位进行加固，从根本上控制巷道的流变变形，维护巷道的长期稳定性。

4 修复方案的实施

4.1 巷道断面参数的确定

巷道断面形状设计为马蹄形，断面设计净宽4.6 m，净高3.8 m，断面扩刷后喷射混凝土密贴封闭围岩。混凝土强度为C20、浆液配比水泥∶砂∶石子∶水=1∶2∶2∶0.6，喷浆前先清理围岩表面，然后再进行喷浆作业。马蹄形棚各段弧首尾连接，受力结构合理，能有效地将围岩的残余应力分解传递到其自身的承载结构中，易于保持棚子均衡受力和巷道稳定。

4.2 支护参数

4.2.1 马蹄形全封闭式U型钢支架参数

巷道支护采用29U大刚度马蹄形全封闭金属支架，每棚支架由4部分搭接而成，每节之间搭接500 mm，搭接处用2副卡缆固定。卡缆采用双槽板卡缆，槽板厚23 mm、卡缆螺杆为M27。架设棚距为650 mm，支架间用6个拉杆连接，分别位于架顶、架肩、底梁腿连接处、底梁中间。每棚的顶帮用d6 mm钢筋制成的钢筋网背严，钢筋网规格为2000 mm×800 mm，网格规格为70 mm×70 mm。全封闭马蹄形29U型钢支架加工图见图2。

图2 马蹄形29U全封闭金属支架加工图

4.2.2 底板反拱混凝土浇注并锚注锚索支护参数

对巷道底板进行开挖，使其形成反拱结构。反拱半径为3101 mm，反拱最大深度为1200 mm。底板反拱浇注混凝土，浇注800 mm后，再采用2根锚索进行锚注支护。锚索规格为钢绞线规格d1530 mm×6300 mm，眼深6 m，排距1.5 m。注浆锚杆先注浆，锚杆d15 mm，长800 mm;封孔可采用空心水泥卷或树脂药卷密实，封孔深度0.8 m。注浆最大压力为2.5 MPa。待张拉完毕，混凝土回填400 mm(反拱最大深度)并留设水沟。

4.2.3 注浆及支架加强锚索支护参数

1)巷道注浆采用长短孔交替循环注浆，注浆孔排距700 mm。长孔深为3500 mm，短孔深度为1000 mm。注浆顺序为:先注短孔，后注长孔，先下后上，先底脚、后两帮、再肩窝、最后注正顶，注浆液为标号525 的硫铝酸盐快硬水泥，水灰比 0.85 ～1.0［3］。长短孔分别采用长度为3000 mm和800 mm的注浆锚杆进行注浆，注浆压力为1～1.5 MPa，成品巷道坚持洒水养护14 d。

2)浆液凝固达到锚固力设计要求后，巷道采用锚索梁加强支护，见图3所示。巷道两帮分别采用2道(排)走向锚索梁加强支护，顶部1道(排)。巷道两侧下帮锚索向下30°～45°布置，上帮锚索向上斜10°～15°布置。两帮锚索间距1100 mm，最下1根锚索距离底板600 mm布置，排距1000 mm，帮锚索排间用矿用工字钢连接。11号矿用工字钢，长度2000 mm，眼距1000 mm，每副锚索梁工字钢压4副U棚。钢绞线规格d17.8 mm×7300 mm，眼深7 m，排距1 m，每孔采用7节树脂药卷加长锚固。使用锚杆测力计MS15－230/55张拉器测量每根锚索，读数不得小于 22.6 MPa。

图3 架、注、锚整体施工参数布置示意图

5 支护效果

北翼轨道大巷修复巷道长165 m，共布置3个测站，测站间隔50 m。该巷道从2011年12月15日起进行矿压观测，共进行了5个月的矿压观测。该巷道3号测站的围岩观测结果见图4，图5。

从图4，5可知，该巷道在扩巷掘进后7天内变形速度和两帮移近速度较大，在30天以内巷道两帮相对移近速度和顶板下沉速度减缓，巷道表面位移表现为缓慢增加;30天以后，围岩处于稳定状态总体上，巷道顶板下沉量和两帮移近量都比较小，顶板最大下沉量为260 mm，两帮最大移近量为300 mm。这说明该巷道围岩已趋于稳定，提出的混凝土反拱+锚索锚注+马蹄形全封闭金属支架联合支护的修复方案是可行的、有效的。

6 结语

在该矿区－220 m三水平轨道大巷修复中采用混凝土反拱+锚索锚注+马蹄形全封闭金属支架联合支护方式，通过理论分析，证明该支护方案能够明显改善巷道围岩的应力状态，增加巷道的整体承载能力，有效控制巷道围岩的变形。现场试验表明，该方案措施得当，支护参数合理，能够有效控制北翼轨道大巷围岩变形，提高了该巷道支护的有效性和安全性，其支护效果明显好于原支护，具有推广应用价值。

［1］靖洪文，李元海，赵保太，等.软岩工程支护理论与技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008:1－7.

［2］董方庭，靖洪文，宋宏伟，等.围岩松动圈巷道支护理论［M］.北京:煤炭工业出版社，2001:4－11.

［3］张 燕.新桥煤矿高应力软岩永久巷道支护技术研究［J］.中州煤炭，2011，01(1):17－18.