易崩解弱胶结软岩巷道支护实践及其监测分析

郭亮亮

（山西汾西矿业集团南关煤业， 山西 灵石 031300）

1 工程概况

1.1 煤层围岩岩性分析

对某矿泥岩进行吸水率试验时，观察到以下现象：自然状态下的泥岩在浸水后几分钟便可看到有气泡从试件表面冒出，说明泥岩微裂隙、孔隙在吸水排出空气。在水作用下，泥岩表面的微裂隙开始慢慢扩展，气泡也越冒越多，伴随有“滋滋”响声。到30 min左右，看不见的微裂隙在水的作用下贯通为数条纵向裂缝，岩石破坏严重，完整性无法继续保持。6 h后，试件已经成碎块状，靠容器侧壁支撑，一段时间后泥岩被侵蚀崩解最后泥化。

某矿的顶底板岩性主要为泥质、泥质类砂岩，组成颗粒十分微小。微小颗粒在吸水后可形成很厚的水化膜吸附层，引起岩石内部不均匀性膨胀，致使泥质岩类内部产生的力不均匀，进而产生大量的微裂隙，微裂隙的产生又促进了水继续与岩体内部的黏粒发生作用，形成一个恶性循环，最终导致泥质岩类天然内部结构被破坏，产生膨胀崩解。

巷道开挖后，围岩暴露在空气中，与空气中的水、生产用水及顶板淋水接触发生作用，导致岩体膨胀、崩解，岩体强度随时间增加而降低，巷道薄弱部位首先产生明显大变形；如不及时支护，进而形成局部松动破碎区，失去承载力[1-3]。巷道底板，处于开放无约束状态时，由于施工原因底板常有积水，水沿底板裂隙、孔隙渗入岩体，导致岩体由浅及深逐渐软化、膨胀，底板的强度降低，若处理不好，会影响到两帮及顶板的稳定性[4]。

1.2 原巷道支护方案

矿井目前有两个开采水平（+826 m水平和+660 m水平），巷道埋深最浅110 m，最深达360 m左右。采区内无强烈构造活动，只有一些较小的断层构造。巷道开挖断面为直墙半圆拱断面，采用正台阶法开挖。现用支护形式为：临时支护形式采用吊环式前探梁支护；永久支护形式为二次锚网喷+锚索支护，锚杆为长度2.4 m，直径20 mm全螺纹钢等强锚杆，间排距800 mm×800 mm，二次支护锚杆与一次支护锚杆成五花布置；锚索规格为Φ15.24 mm×6 300 mm，间排距2 000 mm×1 600 mm。

1.3 支护存在的问题

1）开挖后不及时封闭围岩。目前巷道开挖时的临时支护主要采用吊环式前探梁，紧接着一次锚网索支护，不能及时进行初喷和一次喷浆。前探梁临时支护方式对于护顶有一定作用，但是不能起到封闭围岩、对表面围岩施加压应力的作用，使得开挖后的表面围岩在单向力的作用下逐渐破碎剥落。

2）支护参数与围岩强度不耦合。支护参数的确定应综合考虑地应力、地质构造和围岩状态，保证围岩变形和支护结构的耦合。支护参数的确定从低地应力状态到高地应力状态一直未变，从而在有的巷道段支护结构和围岩变形、强度不能耦合，造成了支护结构的破坏。

3）二次支护时间不予控制。在一次支护后，往往随机进行二次支护，不能严格控制二次支护与一次支护的时间间隔，导致的结果是：支护过早，围岩变形能未完全释放，变形导致喷层开裂、锚网鼓出等；支护过晚，巷道变形增大，围岩破碎加重。

2 巷道支护方案优化

针对矿井易崩解弱胶结软岩巷道的支护现状，对原支护方案进行了优化。

2.1 21-1煤层回风大巷支护方案优化

21-1煤层回风大巷位于21-1煤层中，围岩性质良好，埋深较浅（100～260 m），地应力水平较小，区域内无不良地质。在巷道矿压监测中可以发现其变形量很小（顶板下沉量在20 mm以内，两帮相对移近量在25 mm以内），围岩在变形过程中表现为弹塑性变形，支护参数有很大富余，造成了支护材料的浪费，具有很大的优化空间。其优化后的支护参数如下：

1）锚杆间排距改为900 mm×900 mm，拱部锚杆型号不变，两帮锚杆改为长度为1.8 m，直径为18 mm的全螺纹钢等强锚杆，锚固长度采用1.0 m。锚索改为三花布置。

2）临时支护采用初喷和吊环式前探梁。初喷必须及时，在巷道开挖后立即进行初喷，以减少表面围岩的单向受力破碎和崩解等。

3）增加底角锚杆，底角锚杆打入角度与水平保持20°～30°之间。

2.2 23-2煤层辅运大巷下半段支护方案优化

23-2煤层辅运大巷处于23-2煤层中，围岩性质较差，下半段埋深在280～360 m之间，埋深较深，地应力水平较大，区域内有弱断层。在巷道矿压监测数据中可知其变形量较大（顶板下沉量平均在80 mm，两帮相对移近量平均在70 mm，底臌量在100 mm左右），表面围岩破碎，网片多有撕裂，喷层开裂脱落，锚杆、锚索被拉断、剪断现象时有发生。因此要对其进行优化：

1）锚杆间排距改为600 mm×600 mm，锚杆规格改为20 mm×2 400 mm热轧细牙等强螺纹钢式树脂锚杆（这种锚杆螺纹较密，施加预紧力大，可有效缓解锚杆的松弛作用），锚固长度采用1.0 m。锚索间排距改为1 600 mm×1 600 mm，关键部位（如交叉点，大断面处）需再增加锚索。锚网由铁丝捆扎改为钢筋网弯折搭接，增加钢筋网的抗性和刚度。

2）临时支护采用初喷和吊环式前探梁。初喷必须及时，在巷道开挖后立即进行初喷，以减少表面围岩的单向受力破碎和崩解等。

3）增加底角锚杆，底角锚杆打入角度与水平保持20°～30°之间。

4）严格控制二次支护时间。合理的二次支护时间段为10～15 d，在支护过程中应严格控制二次支护的时间，使其达到最佳状态。

3 巷道现场监测

合理的支护参数不是保证巷道稳定性的唯一因素，地下工程受地质条件、地应力作用、施工方法及支护时间等诸多因素的影响，因此，在合理的支护参数下仍需要进行巷道的现场监测，用以评价支护效果，并收集数据，为进一步的优化提供第一手资料，从而更好地指导生产[5]。

本次监测的内容包括：表面围岩收敛量（顶板下沉量、两帮相对移近量和底臌量）；顶板及两帮内部位移量。

3.1 表面围岩收敛量测及分析

测点布置：在巷道两帮和顶底板分别打30 cm钻孔，然后放入凝固剂，并将事先准备好的一端带圆环的短钢筋放入搅拌凝固。然后在优化后的巷道段，每隔30 m布置一测站，对其进行量测。

21-1煤层回风大巷及23-2煤层辅运大巷典型测站收敛曲线图及收敛速率曲线图分别见图1、图2、图3及下页图4。

从监测数据及曲线图来看，巷道顶板最大变形量在40 mm，两帮相对移近量最大为35 mm，底臌量最大为45 mm，变形速率在5 d左右有明显下降，到12 d左右已经稳定在一个较低值，巷道趋于稳定，优化后的支护效果良好。

3.2 围岩内部位移监测

图1 21-1煤层回风大巷围岩收敛曲线

图2 21-1煤层回风大巷围岩变形速率曲线

图3 23-2煤层辅运大巷围岩收敛曲线

围岩内部位移是客观反映岩体松动范围、离层量大小及判断围岩稳定性的重要指标，内部位移的量测主要通过位移计来进行的。矿井使用的位移计为两点式位移计，分别测量2 m和6 m范围内的围岩内部位移量。如表1所示。

图4 23-2煤层辅运大巷围岩变形速率曲线

表1 巷道围岩内部位移

从监测数据上来看，21-1煤层回风大巷和23-2煤层辅运大巷的顶板离层量均较小，主要为浅部锚杆锚固范围内的离层。这是因为一次支护期内，浅部围岩在释放变形能的过程中，有部分围岩产生破碎，与较深部围岩产生离层。从顶板离层量来看，巷道顶板稳定性良好，支护效果明显[6]。

另外，在现场的巡查中发现巷道表面喷层裂纹、浆皮脱落，锚网撕裂，锚杆（锚索）被拉断、剪断的现象明显减少。

4 结论

易崩解弱胶结软岩是新疆伊犁地区常见的岩性之一，目前，对于该类软岩的研究还不够深入，在现有的煤矿开挖过程中一般采用工程类比和硬岩经验公式进行设计施工，不能因地制宜，适用性较差，在实际施工中常常出现问题而不能及时解决。因此，对该类软岩巷道变形特点、支护理论和支护技术的研究具有重要的现实意义。