煤矿软岩巷道支护研究

赵东峰

摘 要：本文结合鸡西荣华立井煤矿具体实例，对其东主运输巷道破坏变形的特点进行分析研究，探讨深部高应力软岩巷道的破坏机理，提出解决深部高应力软岩巷道支护的技术方案。

關键词：软岩；机理分析；FLAC3D；联合支护；预应力；全锚索

1.巷道变形破坏特征及现场监测

根据已施工的东主运输巷道现场观测，该巷道顶板岩层下沉量大，两帮内变形严重，底臌现象明显。为了掌握巷道变形规律，对已经维修后的东主运输巷道进行变形监测，共设置4个监测面，分别取顶底板与两帮四点，用于测量顶底板与两帮的移近量。现选取第一监测面，监测结果如图1所示。

从图1可以看出，东主运输巷道围岩变形明显，监测前期累积变化量较大，虽然监测后期增长量减少，但仍保持增长的趋势。监测期间，顶底板总变形量约350mm，两帮总变形量约200mm。这表明U型钢支架支护方式对东主运输软岩巷道的围岩控制没有起到良好的效果，不能保持巷道围岩的稳定。

2.巷道破坏机理分析

2.1 软岩性质分析

在东主运输巷道工作面采样，岩石试样如表一所示，采用D/MAX射线衍射仪对试样进行矿物成分分析，结果表明，该巷道围岩粘土矿物含量较高，是典型的膨胀性软岩。此类岩石遇水极易引起软化、崩解及膨胀等现象，从而加快了巷道围岩的变形破坏。

2.2高地应力影响分析

研究表明重力作用和构造运动是引起地应力的主要成因，地应力的大小和方向对巷道稳定性影响较大。采用钻孔窥视仪检测东主运输巷道围岩构造，结果表明，该巷道地质条件复杂，穿越地层数目较多，地层倾角20°左右，地压突出，个别地段处于破碎带，裂隙节理多。巷道在上覆岩层自重力和复杂构造应力作用下，围岩破坏明显。

2.3 原支护方式不合理

东主运输巷道建设前期采用锚喷支护方式，巷道严重变形破坏。维修过程中采用U型支架支护，支护效果也不理想。这是由于原支护方式没有使软岩巷道的塑性能量充分释放，从而出现大部分锚杆由于锚固端的破坏而整体失效、U型支架破坏变形、巷道顶底板破坏严重，底膨现象突出等情况。在巷道原支护方案中，并未对底板和底角采取有效的防护措施，致使支护结构出现薄弱带，导致底板围岩应力集中并产生显著地塑性变形，加剧了巷道支护的结构的失稳破坏。

3.支护对策

通过对东主运输巷道复杂的地质条件以及巷道破坏机理的分析，为此提出“预应力全锚索加固+反底拱+注浆加固”技术方案。施工图如图2所示。

具体参数如下：

（1）高强度钢绞线预应力锚索，长度为6m，间排距800×800，直径17.2mm，锚固力20t。

（2）锚索托盘为1/20矿用工字钢，长度为300mm。

（3）锚索树脂药巷用量4卷/根。

（4）金属网用8铁线编制成网，网眼50×50mm，规格1.0×200m/片。

（5）喷射栓厚度150mm，强度C15。

（6）反底拱采用衍梁架双拱结构。

4.数值模拟

4.1 建立模型

采用FLAC3D模拟分析软件，根据荣华煤矿东主运输巷道底层深度和地质情况及巷道分布、断面大小计算得出，模型尺寸400×36m×60m[7]。地层采用Mohr-Coulomb模型、巷道开掘深度650m，单元总数168092个。岩层倾角20 o ，巷道共穿过不同岩层9层。两侧面限制水平位移及自由度，地面限制水平、垂直位移及自由度。

4.2 模拟分析

当巷道采用预应力全锚索支护方案后，采用Cable单元模拟锚索，Shell单元模拟C15混凝土。模拟过程中对巷道进行了选点位移监测，为方便观察，将模型进行切块处理，截取断面7处，截取厚度10 m，各监测点均为多节点跟踪（每点周围跟踪6～9个节点）取其平均值。监测结果表明：顶板位移80mm，两帮水平收缩16mm，腰线水平收缩90mm，底板位移20mm。预应力全锚索支护方案对于东主运输巷道围岩起到了良好的支护效果，提高了支护结构的整体强度和承载能力，模拟结果表明该支护方案参数选择较合理，较好的控制了围岩的变形。

5.结论

（1）对荣华煤矿东主运输巷道的破坏机理分析结果表明：膨胀性软岩、高地应力及复杂地质构造、原支护方式不合理是巷道围岩破坏变形的主要影响因素。采用柔性支护方式，用高强度钢绞线代替锚杆，允许围岩产生一定的塑性变形。采用桁架双拱结构加强底角和底板支护，抑制底板的大面积底鼓 。

（2）提出“预应力全锚索加固+反底拱+注浆加固”联合技术方案，并运用FLAC3D数值模拟软件进行模拟检验，模拟结果表明该支护方案可以有效控制顶板变形，加入反底拱结构后，底臌现象减少。由于软岩蠕变效应，仍有少量位移，但可保证正常生产，说明采用预应力全锚索支护技术，加反底拱结构合理有效。

参考文献：

[2]何满潮，钱七虎.深部岩体力学基础 [M].科学出版社，2010.

[3]张辉，康红普等.深井巷道底板预应力锚索快速加固技术研究[J].煤炭科学技术，2013，（4）：16—19+23.