高应力破碎岩体巷道形状及支护方式分析

杨陆海，周 旭

(陕西煎茶岭镍业有限公司， 陕西 略阳县 724300)

高应力破碎岩体巷道形状及支护方式分析

杨陆海，周 旭

(陕西煎茶岭镍业有限公司， 陕西 略阳县 724300)

高应力破碎岩体对巷道施工技术要求较高，针对此类岩体，若设计施工不合理，必然会造成后期巷道变形严重，巷道返修工程量大、施工安全难以保证等问题。因此，针对高应力破碎岩体，从设计上选择合适的巷道断面，同时根据巷道使用年限确定相应的支护等级，从而有效地利用地应力分布规律，提高围岩稳固支撑作用。

高应力破碎岩体；断面轮廓；支护方式

0 引 言

地下巷道工程掘进，对于地应力大且岩石条件破碎的，目前常规做法是根据巷道的用途及使用年限合理选择支护形式，即通过支护手段稳固岩体，从而确保巷道不变形，但实际生产中发现仅仅通过支护手段，不仅造成支护材料消耗量大，且常常难以维持巷道原有轮廓，巷道变形后返修工程难度大、安全风险高。因此对于高应力破碎岩体首先应确定最大主应力方向，其次根据应力分布情况选择合理的巷道轮廓面，最后再确定支护材料及等级，这样能够有效利用地应力，减少其对支护材料的作用力，从而能够使巷道更加稳固。

1 高应力破碎岩体支护

1.1 钢拱架联合锚网喷支护方式

煎茶岭镍业岩石主要以滑镁岩为主，遇水极易泥化，空气中暴露风化片落现象严重，因此这类岩石掘进中，要及时进行锚网喷，以便封闭岩体爆破揭露面，避免岩石在井下潮湿的空气中风化片落。对于服务时间长的巷道，由于顶部岩体破碎，仅采用锚网喷封闭岩面，不能维持巷道的稳定性，为避免巷道变形，常采用钢拱架联合锚网喷支护，如图1所示。

现场应用表明这种支护方式虽然在一段时间内能够维持巷道的稳定，但时间相对较短，煎茶岭镍矿采用该支护方式巷道能够稳定8个月左右，之后两侧墙底脚处最先出现内敛变形，且随时间变化，变形一直加大，如图2所示。从图2中可以看出，两侧墙体内敛变形后，钢拱架发生弯曲变形，原锚网支护随巷道变形发生断裂，失去锚固作用，同时钢拱架内敛变形后因其水平方向无约束力，故失去抵抗水平应力F1作用，随水平应力作用，其内敛变形不断加大，同时受底部岩体对钢拱架的作用力F3，其对垂直应力F2仍有一定的抵抗作用。

图1 钢拱架联合锚网喷支护结构

图2 底角内敛变形

对于高应力破碎岩体，在巷道两侧出现内敛变形后，钢拱架两侧底角对巷道底板开始产生侧向内压力，使底部岩石向内侧移动，由于岩石破碎，在巷道底板积水的作用下，岩石发生膨胀变形，同时受侧向内应力作用，巷道底板慢慢鼓出，且随时间变化，不断凸出，行人运输不方便，若采用有轨运输巷道，由于底板凸出变形，导致轨道高低起伏不平，必须对其进行返修，增加了返修成本。

1.2 封底联合钢拱架锚网喷支护

煎茶岭镍矿针对破碎岩体多年支护统计分析，得出了高应力破碎岩体钢拱架联合锚网喷支护变形机理：采用钢拱架联合锚网喷支护技术，根据生产实践发现，巷道底板岩石破碎且遇水泥化，因此底板对钢拱架两底脚水平应力减小，在水平应力作用下，首先在钢拱架底脚处产生内侧移动，内侧移动后拉断锚杆支护作用，进而使钢拱架失去水平应力的约束力，从此促进了水平方向岩石变形，水平方向内侧移动对底板产生侧向压力，使底板向上移动，最终底板变形又加剧了水平方向移动，因此可以说巷道底板变形与水平变形是相辅相成的，水平变形引起底板凸出，底板凸出进一步加剧水平变形。

根据煎茶岭镍矿支护变形机理，可以发现巷道底板岩石的完整性在巷道稳定性中起决定性作用，若底板岩石完整性差，且未采取支护措施，则必然出现底板岩石支撑力减少的现象，这也是软岩变形的最开始阶段，为改变这种现象，必须对底板岩石采取相应措施，使其在外部条件作用下支撑力不会降低或能长期保持其原有的完整性。为此，煎茶岭镍矿提出了混凝土封底工艺，通过在巷道底板铺设一层混凝土，从而有效阻隔了外界因素对岩石的破坏影响作用，以确保岩石的完整性，维持其自身承压强度，确保巷道不发生变形破坏。该工艺技术也存在一定的弊端，即封底厚度难以控制，厚度控制不合理往往会在底板薄弱处出现破裂。

2 矿山巷道布置及支护方式确认

针对矿山地质地形条件，对矿区地应力进行检测，掌握了解矿区地应力分布情况，了解最大主应力方向，并根据最大主应力方向，合理布置井下采掘工程，可在设计中利用最大主应力方向，使巷道及采场走向与之平行，充分避免最大主应力直接作用于巷道两帮，否则不仅造成巷道施工过程难度大、支护等级高等难题，且巷道后期维护难度大，维护成本高。

煎茶岭镍矿矿岩破碎，且遇水极易泥化，巷道设计中采用三心拱断面轮廓，受水平方向最大主应力影响，巷道底板易上移，导致墙底部发生内敛变形，最终影响巷道使用。通过生产实践调查分析可知，巷道变形快，返修率高，主要在于煎茶岭镍矿针对破碎岩体巷道断面轮廓设计不合理，三心拱断面适应于顶压大的区域，而对于水平压力大的区域则不应采用。

后期返修中，煎茶岭镍矿改变了原有的设计方式，采用人工降底的措施，在墙两侧钢拱架底部焊接拱梁，将其埋置于降底后的底板上，使巷道断面轮廓改变为马蹄形，从而能够更好的承受水平应力。通过改变巷道断面轮廓后，煎茶岭镍矿返修巷道基本能够保持稳定，降低了巷道的维护费用。

此外，煎茶岭镍矿支护变形，返修施工中均应用新支护材料更换变形材料，但实践发现更换新支护材料后，巷道很快又发生变形，通过分析总结得出，致使支护变形不是单一侧受力影响，是多种因素相互关联，因此在选择支护方式时，应首先分析岩石物理力学性质，结合物理力学性质及应力分布状况最终确定合理的支护方式。

3 结 论

(1) 破碎岩体必须进行封底。针对破碎岩体，尤其是易泥化岩体，底板的控制在支护中意义重大，若仅对顶压及侧压采取支护，必然会因底板破坏引起整个支护失效，因此根据实际岩性采用不同的封底措施对底板进行加固，从而达到整体的稳固性。

(2) 根据应力情况合理选择断面。一般情况下，作用在巷道上的地压大小和方向在选择巷道断面形状时起主要作用。当顶压和侧压均不大时，可选用矩形或梯形断面；当顶压较大、侧压较小时，则应选用直墙拱形断面(半圆拱、圆弧拱或三心拱) ；当顶压、侧压都很大同时底鼓严重时，就必须选用诸如马蹄形、椭圆形或圆形等封闭式断面。

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王爱民(1970-)，河北崇礼县人，采矿高级工程师，主要从事采矿技术、采空区充填及地压监测工作，Email：wamdys@sina.com。

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