深部工程软岩巷道变形破坏机理及控制技术

徐广荣　李更川

摘 要：本文为研究深部工程软岩巷道大变形问题，采用现场实测、相似模拟等方法，以陶二煤矿北大巷为例，研究了巷道围岩变形破坏机理，提出了巷道围岩控制对策。结果表明：巷道大变形的主要影响因素包括埋深大、应力高、黏土含量高、支护不及时；高强度、高预紧力、主动控制是解决软岩大变形的有效途径。现场试验结果证明了支护方案的合理性。

关键词：深部巷道；工程软岩；影响因素；变形规律

中图分类号：TD353 文献标志码：A

0 引言

我国煤矿以10m/a～25m/a的速度向深部延伸，中东部矿井大多进入了深部开采，同样的岩层在深部表现出了与浅部不同的特性，受高应力、开采扰动作用，岩石表现为工程软岩特征。很多煤矿巷道出现前方掘进后方巷道短期内就需要修复，支护难度很大，严重影响了矿井的安全生产。本文以陶二煤矿深部北大巷为例，分析了巷道围岩变形破坏机理，提出深部巷道控制对策。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

陶二煤矿北大巷埋深850m，属于典型的深部开采矿井。巷道位于1号和2煤层之间，上距1号煤22m，下距2号煤15m左右。巷道所在层位岩性为砂质泥岩，层厚在8m～10m，含钙质及泥质结核。矿井构造复杂，大巷位于向斜翼部，实测最大水平主应力在27MPa ～31MPa，最大主应力方向为NE70°，方向为近东西向。现场煤岩体节理裂隙十分发育。现场施工过程中，巷道围岩变形破坏严重，巷道变形量大，变形速度快，半个月内巷道顶底板变形量达到30cm，已经影响了正常的使用。经统計，该巷道断面收缩一般在30%左右，局部收缩可达60%以上，严重影响了安全生产。

1.2 原北大巷支护

北大巷原设计断面为直墙半圆拱型，巷道净断面尺寸为4.8m×3.6m，巷道断面为17m2。采用锚网喷+U型钢联合支护。其中锚杆长度为2.4m，直径为22mm，每孔采用两个Z2360树脂药卷锚固，间排距为600mm；U型钢型号为29U钢，排距为600mm；喷浆采用C20混凝土，喷层厚度120mm。

2 巷道变形破坏影响因素分析

（1）工程软岩物理力学性质影响。经统计陶二煤矿深部岩石强度低，随着埋深增加，岩石强度变化较大，易软化，岩石具有较大的膨胀性，北大巷岩石膨胀率达到了31%，另外，砂质泥岩中黏土矿物含量达到50%，因此，巷道开挖后，产生的膨胀变形对巷道破坏较大。

（2）高应力场环境。北大巷埋深达到了850m，现场实测最大主应力在27.48MPa～31.13MPa，方向为NE70°，近东西向，侧压系数约为1.6，巷道轴向与最大水平主应力夹角接近90°。地应力对巷道破坏起到了主动作用。

（3）地下水的影响。经调查该巷道底板以下5m的砂岩中含水，巷道在高应力作用下底板破坏深度超过5m，使得砂岩中的水渗透到巷道浅部破坏岩层中，进一步破坏岩层。使岩石强度降低速度加快，变形加大，对巷道造成严重破坏，支护或者修复非常困难。

（4）时间因素。该巷道围岩表现出了流变特征，具体体现在巷道开挖后围岩长期处于变形破坏状态，无法达到稳定，出现了蠕变变形的3个阶段。

（5）支护结构不合理。该巷道属于典型的深部工程软岩巷道，而巷道采用的支护方式仅仅控制浅部围岩，深部围岩参与的变形无法得到有效控制，必须增加巷道深部围岩变形控制。

3 北大巷支护方案及支护效果

3.1 支护方案

北大巷现场矿压观测结果显示，巷道顶板和两帮的变形较严重，因此，新方案设计以主动控制巷道围岩变形为主题思路，设计锚网索喷联合支护方案，具体参数为：锚杆采用高强度螺纹钢，规格为Φ22×2400mm，锚杆间排距为700mm×700mm，托盘规格为100mm×100mm×10mm方铁板，设计锚杆预紧力为80kN；拱顶布置3根规格为Φ22×7300mm锚索，间排距为1600mm×1400mm，锚索预紧力110kN，托盘由大小两个托盘组成，规格分别为300mm×300mm×10mm钢板托盘和200mm×200mm×50mm的木板，木托盘主要起到卸压作用。金属网采用Φ8mm钢筋焊制，规格为1200mm×800mm，内部栅格尺寸为100mm×100mm，同排锚杆采用W型钢带连接。喷层材料为C20混凝土，喷浆厚度为100mm。

3.2 支护效果

现场建立了矿压监测测站，分别测试了锚杆锚索受力和围岩变形。

图1为巷道锚杆、锚索受力曲线，压力表主要布置在了巷道拱顶的锚杆和锚索尾部，由测试数据可以看出，锚杆锚索受力均在各自的正常工作范围之内，其中锚杆受力由最初的70 kN增大到89 kN，锚索受力由初期的108kN增加到163 kN，特别是巷道成巷后18d锚索受力突然增加，这种现象说明巷道在该阶段围岩发生了一次强烈的破坏，因此在现场施工过程中应重点关注成巷后15d～20d的围岩变形情况，及时加强支护，防止巷道发生冒顶等事故。

图2为巷道围岩变形曲线，通过曲线图可以看出，新方案施工后一个月巷道围岩变形基本达到了稳定状态，巷道顶底板变形量仅为17.3cm，两帮变形为37cm，巷道围岩变形得到了有效控制。

总体上看，北大巷通过采取高强度支护材料、高预紧力、主动控制围岩技术，有效地控制了深部巷道的大变形问题。

结论

深部工程软岩巷道围岩变形具有流变特征，传统浅部巷道支护方法难以控制巷道稳定，巷道围岩大变形主要影响因素包括高应力、高黏土含量、软岩力学性能、地下水和被动支护等。通过采用锚网索喷联合支护，巷道围岩变形得到了有效控制，具有一定的借鉴意义。

参考文献

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