深部软岩巷道变形破坏机理及稳定性控制对策分析

李凯亭

（山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100）

1 工程概况

经坊煤矿运输巷道大巷为经坊煤矿的永久大巷。从运输大巷开挖情况来看，所经地质条件较为复杂。巷道设计采用直墙半圆拱形，宽×高=4400mm×3500mm，原有支护设计采用锚网喷支护，巷道开挖后，出现了大范围的变形破坏，其中，顶板大面积下沉，低底板鼓起明显，两帮收敛剧烈，巷道整个支护体系失效严重，同时，巷道顶板与两帮的喷层大面积剥落，锚杆扭曲严重，所形成的网兜较多，导致运输大巷不能正常使用。现场变形破坏图如图1所示。

图1 巷道变形破坏现场图

2 运输大巷变形破坏机理分析

2.1 数值模拟模型的建立

为更为深入的分析运输巷道大巷出现严重变形破坏的具体原因，选择使用FLAC3D对巷道围岩变形进行数值模拟，设计模型为长×宽×高=60m×60m×60m，共包含有21600个单元，数值模拟模型如图2所示。

图2 巷道变形破坏数值模拟模型

2.2 大巷塑性区分析

通过数值模拟得到了巷道围岩在采用原有锚网喷支护后，得到了如图3所示的塑性区范围。

分析图3可知，在原支护条件下，运输大巷出现的塑性区范围多数集中在两帮的周边，特别是在拐角的位置出现了明显的应力集中，整个塑性区的范围呈现出放射状。其中，屈服区域的范围正在缓慢增加，考虑是由于外界采动影响给大巷稳定性带来的影响。同时，巷道的顶板与底板，围岩塑形状态正在从单一剪切应力破坏转变为复合型的拉应力-剪应力破坏。

图3 原支护条件下巷道围岩塑性区范围

2.3 大巷围岩位移分析

图4 原支护条件下围岩位移分布图

分析图4可知，巷道顶板与两帮变形量较大，其中，顶板下沉量最大值已经达到了330mm，两帮相对移近量已经接近100mm，巷道整体出现了明显的变形破坏，这与巷道实际变形破坏较为相符。因此，在进行巷道返修时，应当注意巷道支护的耦合性，对于巷道的顶板、两帮应当进行针对性的强力支护。同时，这里考虑由于未对巷道底板进行支护，导致巷道底板鼓起，进一步加剧了巷道两帮收敛程度。

3 巷道围岩强度测定

为掌握巷道围岩岩性给巷道稳定性带来的影响，选择使用钻孔触探法对运输大巷顶板与两帮围岩岩性进行了分析，选择在顶板正中间垂直方向、两帮中间水平方向，分布布置深度为10m钻孔，选择使用WQCZ—56型围岩强度测试装置对巷道围岩的抗压强度进行测量，具体测量结果如图5所示。

图5 运输大巷围岩强度测试曲线图

从图5可看出，不论是巷道的两帮还是巷道顶板，巷道围岩强度曲线均表现出较大的波动性，分析导致巷道围岩强度出现波动的原因，主要是由于：巷道岩性之间的差异，虽为同一岩性，但是也存在明显的不均质性；巷道围岩中层理结构、裂隙、节理及软弱夹层等结构面的影响；巷道开挖导致巷道表层岩层及深部围岩出现了变形破坏，强度出现了降低，但并未完全丧失；随着巷道深度的增加，强度出现了增加的趋势。分析这些问题出现的原因，主要是由于运输大巷的埋深已经超过了820m，现场测定其最大应力为水平主应力，达到了31.5MPa，在高应力的作用下，运输大巷围岩已经表现出工程软岩的特性，巷道围岩出现了分层破坏的情况，增加了巷道支护的难度，在原支护状态下，较难保证运输大巷整体的稳定性。

4 运输大巷支护对策分析

4.1 支护方案设计

结合运输大巷出现的变形破坏特征及深部巷道支护特点，设计采用“二次锚网索注支护”方案，具体为：扩刷→初喷→初锚→挂梁网→复喷→再锚→挂绳网→再喷→后注，设计采用该中支护方式的主要原理是，考虑到深部巷道围岩围岩应力较大的特点，首先对巷道围岩进行初次普通锚梁网支护，在确保巷道基本稳定的前提下，给深部巷道一定的释放空间，将深部巷道中积聚的能量进行一定的释放，巷道在初次变形之后，再次进行锚网索喷强力支护，对巷道浅部围岩进行再次预紧压缩，同时，通过锚索将深部稳定围岩对浅层围岩的悬吊作用充分发挥出来。这种“适当让压、强力支护”的支护原则与深部巷道围岩支护特点较为相符。具体支护参数为：

1）首次锚杆支护参数：顶板与两帮锚杆均选择使用左旋螺纹钢锚杆，φ22mm，长度为2400mm，每根锚杆配合使用2卷树脂锚固剂，间排距设计均为1600mm。

2）二次锚杆支护参数：顶板与两帮锚杆均选择使用左旋螺纹钢锚杆，φ20mm，长度为2600mm，每根锚杆配合使用2卷树脂锚固剂，间排距设计均为1600mm（与首次锚杆支护体间隔布置）。

3）锚索支护参数：为更好发挥出锚索的悬吊作用，将深部围岩对浅部围岩稳定的悬吊作用发挥出来，设计顶板对称布置3根钢绞线锚索，φ17.8mm，长度为8200mm，间排距均为1600mm；考虑到底板出现了大范围的整体鼓起，在巷道底板设计对称布置，间距为2400mm，排距为1600mm。每根锚索配合使用4卷树脂锚固剂。

4）钢筋网与喷层参数：选择使用高强度钢筋网，φ12mm，网格为：120mm×120mm，搭接长度为120mm。喷层选择使用高强度混凝土，厚度为100mm。

5）底板对称布置三个注浆孔，孔深为2400mm，间排距为1600mm×1600mm。

4.2 支护效果分析

为了掌握“二次锚网索注支护”方案支护效果，设置测站进行巷道表面位移监测，得到了巷道围岩时间变形曲线，如图6所示。

图6 巷道围岩表面位移图

从图6可看出，在对运输大巷实施了返修方案后，巷道围岩的稳定性取得了较好的控制，其中，巷道顶板最大的下沉量为60mm，巷道两帮的最大移近量为160mm，底板最大鼓起量为90mm，可以满足运输大巷安全生产的要求。

5 结束语

1）通过数值模拟、围岩强度测定等，运输大巷围岩已经表现出高应力软岩特征且出现了分层破坏情况，这是深部开采过程中普遍面临的情况之一，因此，在进行巷道支护设计与施工时，应充分考虑。

2）在深部巷道围岩支护时，应当采取“高阻让压”支护方式，将巷道围岩自身的承载能力发挥出来，更好提升支护效果。