深井软岩巷道支护的应用研究

戚彦贵

（淮南矿业集团 朱集矿井建设项目部，安徽 淮南232001）

0 引言

随着工业生产对能源需求的不断增加，煤炭采掘作业已由地表浅部向深部转移。煤矿开采深度的不断增加，井下巷道将处于更高的地应力环境中。尤其在地质构造复杂的地区，残余构造应力比较大，岩石的力学性质也发生了变化，给煤矿巷道支护及稳定性带来了很大的难度，从而成为制约煤矿企业向深部开采的瓶颈。因此，研究高地应力软岩环境下巷道科学的支护方式是保证矿井安全采掘深部煤层的关键之一，以朱集煤矿深井软岩巷道为研究对象，对其支护方式进行了研究与实践，朱集煤矿-906m 水平巷道的顶板以泥质砂岩为主,底板则主要是泥岩,或者巷道赋存与泥、泥砂岩互层中。-906m 西翼回风大巷（北）为软岩段，由于地压大，原有的锚网索喷支护条件下出现了严重的底鼓现象，由实地观察，最大的底鼓量达到1m，严重影响了巷道掘进的进程。

1 深井软岩巷道的特征

在高地应力区经常遇到一类特殊岩体，当其处于地表浅部或低地应力条件下，岩体显示出较坚硬的特征；处于高地应力环境时，当围压较低时, 岩体尚具有较高的强度和弹性模量，当围压较高时，岩体则表现出软岩特征。煤矿深井软岩巷道的变形特征主要有下面几点：

（1）围岩变形量大。高应力软岩自身特征决定了该区域的巷道变形量大的特点, 其中巷道的水平收敛量要比拱顶下沉量要大得多。一般为几厘米至数十厘米, 表现形式有两帮内移、尖顶和底鼓。

（2）初期变形速率大。由于水平构造压应力大于垂直应力, 巷道在掘进时卸载迅速, 来压快, 表现为巷道的初期变形速率大。

（3）巷道变形具有时效性。巷道围岩具有显著的流变性, 表现为明显的时效性。当岩体流变所产生的围岩变形过大, 使得巷道支护体无法适应而失效, 围岩再次恶化并剧烈变形。

由此分析，深部软岩巷道具有四周来压、整体收敛、变形强烈等特点，而且初期变形速度通常都在10 mm/d 以上，围岩剧烈破坏、常常造成支护体失效。因此深井软岩巷道掘进初期巨大的膨胀变形能必须以某种形式释放。大断面预留变形量的U 型钢可缩性支架支护深部巷道取得了一定的支护效果，但预留变形空间有限、不能充分释放围岩变形能，不适应深部软岩巷道大变形。目前，我国广泛采用的锚杆支护对于埋深小于800m 的巷道维护效果较好，不能有效支护埋深大于900m 的软岩巷道。

2 深井软岩巷道支护原理

根据目前所掌握的有关软岩力学属性、 变形力学机制, 以及现场所观察到巷道大变形、大地压、难支护的特点，可以认为软岩巷道围岩并非具有单一的变形力学机制, 而是同时具有多种变形力学机制的复合变形力学机制。而且认为由于本构关系的不同, 软岩巷道的支护原理和硬岩巷道支护原理也是截然不同的。对于硬岩巷道的支护不允许围岩进入塑性状态, 而进入塑性状态的硬岩将丧失承载能力。软岩巷道开挖后, 其巨大的塑性能必须以某种形式释放出来, 同时, 处于塑性状态后其围岩仍具有一定的承载能力。假设巷道开挖后使围岩向临空区运动各种力的合力为PT，则软岩巷道支护原理可表示为：

式中：PT 表示巷道开挖后使围岩向临空区运动的合力(包括重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等), PD 表示以变形的形式转化的工程力(可以包括： 弹塑性转化(与时间无关), 粘弹塑性转化(与时间有关), 膨胀力的转化(与时间有关)。对于软岩来讲, 主要是以塑性能变形的方式释放),PR 表示围岩自撑力,PS 表示工程支护力。巷道开挖后引起的围岩向临空区运动的合力PT 并不是纯粹由工程支护力PS全部承担，而是由PD，PR 和PS 3 个部分共同分担。因为软岩巷道支护时软岩进入塑性状态不可避免, 而且其巨大的塑性能必须释放出来,所以软岩支护设计时必须提供足够的变形能释放时间和释放空间。

3 朱集煤矿深井软岩巷道的应用研究

朱集煤矿-906m 西翼回风大巷（北），如图1，开口位于-906m 西翼回风大巷（南）道内。该巷道设计长度280m 其中回风联巷长度为46.65m，4.66‰坡度施工；该巷道断面均为锚网索喷支护。

图1 -906m 西翼回风大巷（北）架棚示意图

（1）锚网索喷的支护参数及施工流程

-906m 西翼回风大巷（北）采用锚网索喷，巷道净断面为宽×高=5000mm×4100mm，超高强锚杆Ф22×2500mm，金属网Ф6.5×1750×930 mm，锚固剂顶Z2350 每眼2 根、帮Z2850 每眼2 根，喷射混凝土厚度120mm、强度C20，锚杆间排距800×800m，锚索Φ22×6300mm，锚索间排距1500×2000mm，每排3 根。而锚网喷索施工工艺流程为初喷—锚杆施工、挂网—复喷—锚索施工。

（2）架棚浇筑支护参数及施工工艺

锚网喷巷道采用一掘一喷一锚网，每循环进尺1.8m，如遇岩性差时，每循环进尺为1.5m。在围岩条件好的情况下，可对拱部先进行锚网喷（初喷）支护，锚网喷至拱基线处，帮部支护滞后，滞后距离为30m～40m，待停头钉道移耙矸机时集中进行复喷和帮部支护（成巷）。在围岩较破碎或易风化的情况下，必须全断面一次完成锚网喷支护，且初喷厚度不得小于50mm。掘进与成巷平行作业时：耙矸机前先初喷50mm，停头钉好道，待耙矸机挪移至迎头后（移耙矸机前必须把耙矸机机身位置按成巷标准喷好），迎头掘进与耙矸机后成巷平行作业，待下次停头钉道之前必须将耙矸机后尾（30～40m）按设计要求成巷。

通过加强支护,有效地控制了底臌的发生,使巷道处于稳定状态。

4 结语

在深井高应力软岩环境下，巷道的支护问题已成为煤矿企业向深部煤层发展的第一难点。由于单一的锚网索喷联合支护在深井软岩巷道中,虽然可以在短期内适应巷道的变形和压力变化,但很难在长期的使用中保持稳定。而使用锚网索喷、架棚注浆联合支护在高应力软岩巷道、硐室的特殊工程段,能大大改善联合支护的效果。采用锚网索喷、架棚注浆联合支护控制巷道变形效果显著,避免了二次或多次修复,节省了工期,加快了掘进速度,并创造了可观的经济效益。朱集煤矿采取的先锚网索喷，再架棚、注浆的支护方式，已经在实际的生产实践中证明了它的优越性，属于该条件下巷道的最佳支护方式，可为同类巷道的支护和维护所借鉴。

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