软岩巷道锚注卸支护技术应用与优化

刘树弟，刘建庄，杨 拓，李 准

(1.开滦(集团)有限责任公司，河北 唐山 063009；2.华北理工大学 河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210)

深井软岩巷道的支护难题，长期困扰着我国的煤矿生产建设，严重制约了我国中东部地区矿井的采掘正常衔接，一直是巷道支护技术的研究热点[1-3]。针对深井高应力、泥质软岩、富水围岩、水解软岩等软岩巷道支护失稳机制，相关单位以高强锚杆索[4，5]、恒阻大变形锚索[6-8]、锚架充联合、全断面支架[9，10]等技术在两淮矿区、铁法矿区、兖州矿区等取得部分成功，但针对高应力破碎淋水强水解围岩的巷道大变形和支护失效的工程难题，尚未有较为成熟的支护技术[11-13]。本文通过对开滦矿区地质力学测试和锚注卸支护实践，形成一套锚注卸动态支护技术，制定了关键工序衔接的支护工法，为复杂软岩巷道工程治理提供借鉴。

1 开滦软岩巷道工程特征

开滦矿区目前有生产矿井8对，平均采掘深度在-850～-950m间，未来5～10a内各矿水平接替接近或超千米，全区水文地质条件复杂，淋水巷道和涌水巷道普遍，软岩断面大(16～20m2)，普遍存在高应力、动压扰动、水解风化等不利稳定的因素，原支护技术与参数不适应深部条件，巷道变形失修、采掘失调严重制约了可持续发展，大量人力、物力消耗在频繁的后路维护中，给生产经营带来极大压力[14-17]。为解决深部支护难题，先后开展了围岩工程分级、支护构件升级、配套支护方案优化等工作，形成了支架挂苇帘壁后充填、锚索架联合、浅拱底梁、双层棚子等支护技术，在局部工程中取得一定成效，但在强淋水、应力环境复杂的灰色和灰白色砂岩区域、强采动影响区域、煤岩动力显现的高冒区域、活化断层区域中，各类支护方式均告失败，亟待解决极困难区域的稳定支护难题。

2 地质力学测试和失稳机制分析

2.1 地应力实测

开滦矿区对浅部地应力环境开展了大量的实测工作，如李熔华测得赵各庄矿952m深处最大主应力值为自重应力的3.3倍；张宏伟在荆各庄矿、唐山矿、钱家营矿、范各庄矿、吕家坨矿、东欢坨矿的测量表明，矿区属水平应力场，最大主应力与自重应力的比值为1.6～2.7。

为进一步掌握深部巷道失稳的力学来源，定量指导支护选型和参数优化，以KX81型空心包体应力计开展了-850水平到-950水平的地应力实测，部分结果见表1，矿区深部第一主应力接近水平，延展方向为煤层走向，属大巷、工作面巷道工程的最不利稳定的方向，按照平均采煤工作面动压影响系数1.2～2.0计算，巷道远场最大应力可达70.0MPa，大大超出巷道锚固区内的天然状态围岩强度。

2.2 岩石强度测试和微观测试

矿区煤系岩层以砂岩、石灰岩、砂质泥岩为主，其中风化水解作用体现最为明显的是灰色和灰白色砂岩，开滦矿区俗称“白砂矸”，在煤8、煤9和煤11的顶底板均有赋存，在东欢坨、吕家坨、范各庄、林南仓等矿井深部工程揭露较为普遍。X射线衍射测试表明相对矿物含量构成中，中粒白砂矸的粘土矿物成分以高岭石为主，细粒白砂矸矿物成分以蒙脱石为主，粘土矿物含量60%～80%，成分以高岭石为主，颗粒越细蒙脱石含量渐次增高。其中，煤8底蒙脱石和高岭石各占约50%，煤11底伊蒙脱混层占61%。扫描电镜SEM显示结果可以看出，颗粒集结成块颗粒疏松，呈棉絮状结构，块体中间纳米和微米孔隙发育，大颗粒基质之间有不规则粒间孔隙。

表1 赵各庄矿、钱家营矿、吕家坨矿深部地应力实测结果

分别选取中粒“白砂矸”(富高岭石)和细粒“白砂矸”(富蒙脱石)干湿两种岩样进行0～25MPa围压条件下的三轴强度测试，结果表明：中粒干样单轴抗压强度123.4MPa，抗拉强度1.62MPa，弹性模量32.46Pa；中粒饱水湿样单轴抗压强度49.7MPa，抗拉强度1.29MPa，弹性模量26.7GPa，软化系数为63.5%，水化作用特征为强度弱化和强体积膨胀；细粒干样单轴抗压强度78.8MPa，抗拉强度1.53MPa，弹性模量20.3GPa；细粒饱水湿样单轴抗压强度78.4MPa，抗拉强度1.41MPa，弹性模量27.7GPa，软化系数为63.1%，水化作用特征为强烈水解弱化和弱体积膨胀。

2.3 软岩巷道失稳力学机制

前述测试和实验表明，巷道深部所处的应力环境高，较浅部水平的应力级别高6～10MPa，而开挖扰动和采动叠加作用下，巷道局部应力为2～3倍的原岩应力，达到70～100MPa载荷级别，接近或超出中粒白砂岩和细粒白砂岩的强度极限。围岩物理成分中高含量粘土矿物与大量的微孔通道，给水解软化作用提供了物质基础和浸润反应空间，围岩和支护结构宏观失稳将加速原生微孔通道的拓展，促进封闭裂隙向贯通裂隙发展，巷道后期失稳的加速特征恰恰反映了围岩水解软化到后期的加速历程。由此可见，诱发巷道失稳的力学机制包括三个方面，一是高应力作用下承载区围岩自稳强度不足；二是常规支护不能有效抑制表面有害变形和锚固区裂隙发展；三是原生裂隙与扰动裂隙周边水解软化长期作用显著，表现为巷道后期流变失稳。

3 软岩巷道锚注卸支护技术

为解决围岩和支护强度不足的问题，首选加大支护密度的方式；为解决常规支护控制裂隙效果有限的问题，首选锚杆或锚索强化裂隙围岩的方式；为解决裂隙发育、水解软化问题，采用注浆充填和注浆堵水的方式。因此，在林南仓矿、钱家营矿、东欢坨矿的16～20m2软岩大断面巷道中，技术实践了多层次锚卸注支护技术，“三锚、一卸、二注”支护断面如图1所示，取得了较好的工程效果，已成为在复杂高粘土矿物围岩区域进行软岩巷道初掘和套修治理的主要支护方式。

图1 三层次锚注卸支护(mm)

4 锚卸注支护数值模拟分析

为了对锚卸注支护效能进行评价，采用UDEC离散元软件对多层锚注卸方案进行了分阶段过程模拟。并以钱家营矿-850主石门为原型进行建模。依据煤岩物理力学参数测试报告，结合实际揭露的岩性和节理裂隙发育状况，综合选取围岩岩性和节理面物理力学参数。围岩弹性模量取30GPa，泊松比为0.3，内摩擦角30°，剪胀角5.0°，抗拉强度2.0MPa，粘聚力1.0MPa；节理面的法向刚度取8.0GPa，切向刚度取6.4GPa，内摩擦角为24°，粘聚力为0.8MPa；注浆加固区仅对节理参数进行强化，残余粘聚力和残余抗拉强度取初始值的0.5倍；多层锚杆材质为∅20mm的HRB400螺纹钢，屈服力为130kN，注浆锚杆为常规直径20mm的注浆管，屈服力为50kN。模型左右边界和下边界滚轴支撑约束，上边界加载垂直应力22.85MPa，初始水平应力设定为37.0MPa，纵向应力设定为19.5MPa。

巷道周边块体的塑性区和位移分布如图2所示，垂直应力云图如图3所示，模拟表明，卸压槽开挖能较快促进开挖初应力向外围转移，激励裂隙拓展，在围岩位移50～100mm范围的初掘锚固后，补打二次锚杆(甚至三次锚杆)锚固围岩，有利于对2.0～2.5m范围的节理断裂滑移位移和塑形剪涨位移的控制，能够达到强力促稳的目的；而注浆锚杆的锚固和围岩改性，实现了峰后残余强度的大幅度提升和原有失效锚杆的二次锚固，有利于充分调动各类锚杆和各层次锚杆的承载效能。通过多层次锚固和注浆改性，巷道周边的节理面滑移区大幅缩小，主要2.5m锚固区内发育，稳定位移在75～115mm内，巷道断面能够稳定和长期保持。

图2 塑性区和位移发布

图3 垂直应力云图

5 技术工法和工程效果

5.1 技术工法

多层次锚固、分次注浆、底角卸压槽开挖与回填，各类工序配合较为复杂，动态衔接极为关键，经过大量工程验证和技术实践，以监控表面收敛位移为关键施工节点，对“锚—卸—注”的施工过程进行规范，形成标准工法流程如下：掘进工作面斜向预注浆(有条件选用)→毛断面扩刷→喷第一层次浆(80mm)→打第一层次锚杆→挂第一层次绳网→喷第二层次浆(100mm)→打第二层次锚杆→挂第二层次绳网→打第一层次注浆锚杆→喷第三层次浆(80mm)→按腰线卧底与开挖卸压槽→表面收敛100mm，静置15～20d→第一层次注浆→表面收敛100mm，静置15～20d→依据监测打第二层次注浆锚杆→喷第四次浆(60mm)→第二次注浆。

5.2 工程效果

该支护技术在开滦各矿应用中，综合开展了十字布线法位移观测和锚杆托锚力监测，结果表明：三层锚卸注表面收敛在150mm以内，四层次锚卸注收敛在250mm以内(主要因巷道条件更为复杂)，各层锚杆轴力普遍在50～80kN，效能发挥50%～80%，成本核算显示，永久巷道多次套修总成本可降低0.8～1.5万元/m，经济技术效果较为显著。

6 结 论

1)通过地应力实测、微观测试和岩石力学强度测试，查明了开滦矿区深部软岩的地质力学环境，第一主应力近水平，为大巷、工作面巷道工程的最不利方向，平均值在35.5MPa，其灰色和灰白色砂岩分布多含蒙脱石粘土矿物和富高岭石粘土矿物，饱水样的单轴抗压强度分别为49.7MPa和78.4MPa，前者水化特征为强度弱化和强膨胀，后者为强度弱化和微膨胀。

2)锚卸注支护能较好应对开滦深部软岩巷道软化失稳的三个关键力学机制，UDEC模拟表明，卸压槽开挖具有应力转移和激发裂隙的关键作用，利于卸压后动态注浆的实施，多层次锚杆形成高密支护层，强度高，利于对2.0～2.5m范围的节理断裂滑移位移和塑形剪涨位移的控制，围岩裂隙活动主要在2.5m内，稳定位移在75～115mm内。

3)以控制表面收敛位移不超100mm为节点，控制卸压后注浆的启动时机，可在工程上实现开挖卸压和充分注浆，技术工法操作可靠，在多次支护、分次注浆和底角卸压技术实践中，取得了显著的工程效果。