复杂应力下穿层软岩巷道变形原因及支护技术

2021-02-12王贵平

煤炭与化工 2021年12期

王贵平

（1.冀中能源邯矿集团矿山管理分公司，河北邯郸 056105；2.山西通洲集团安神煤业，山西长治 046500）

0 引言

山西通洲集团安神煤业开采过程中，地质条件十分复杂，主要表现为在区域水平挤压运动的整体作用下，井田内地质构造密集发育，尤其以断层、褶曲构造等为主，整个井田内，在开采过程中实际揭露的断层约1 500 多个，每平方公里范围内，平均发育26 个断层地质构造。断层导致煤层重复、缺失、增厚、变薄，甚至不可采，极大地影响了工作面回采巷道的布置、支护和安全回采。根据矿井实测，安神煤业24 采区自重应力为10.74 MPa，南北方向水平应力17.25 MPa，沿东西方向水平应力达到28.7 MPa，分别为自重应力的1.7 倍和2.8 倍。由于煤田整体受到的水平构造应力大，造成水平方向作用的力较大，对于巷道顶板、底板受水平挤压产生的弯曲破坏，和两帮受水平挤压产生的鼓出变形破坏，较为严重，现有支护技术无法有效解决此种类型条件巷道变形控制问题。煤层底板岩性为泥岩—泥质砂岩，含有大量蒙脱石等，膨胀性极强。由于地层倾斜，水平布置的开拓巷道均需要穿越多个地层，形成穿层巷道，造成巷道围岩岩性发生较大幅度的变化。同时，在地层中分布有各种断裂、褶曲构造，且围岩中含有煤线、炭质泥岩等夹层，水平构造应力较高，围岩软弱具有吸水膨胀性等，造成岩巷大多存在稳定时间短、破坏严重、多次返修的状况，巷道安全、稳定性差，造成准备时间长、采掘接续紧张、多次返修导致大量人力物力损耗，对煤矿支护安全造成威胁。目前矿井岩巷支护形式有U 型钢架棚支护、金属锚杆锚索网联合支护，以及支架和锚网索联合支护等支护方式，无论是哪一种支护形式均不能有效解决该矿在穿层中掘进巷道的支护问题，支护效果较差，出现了前掘后修，反反复复维护的被动局面，不仅造成了工期严重滞后，资金损失，还占用了大量的人员，整体支护效率不高，极软围岩条件下巷道支护问题仍未得到有效地解决。因此，针对复杂应力条件下穿层软岩巷道在复杂地质条件下的支护难题，本文在实践基础上提出了采用锚杆支护的扩容—稳定理论及高强高刚高预应力支护体进行一次支护，用高性能锚杆、锚索材料有效解决复杂应力穿层软岩条件下巷道支护难题，为矿井的正常生产服务，同时也为我国类似条件下软岩巷道支护问题提供有益的参考。

1 概况

1.1 巷道布置情况

2410 底板道位于矿井西翼24 采区，掘进层位位于四煤层底板下20～30 m 左右。该巷主要为2410 底板巷道提升服务，兼顾通风、行人之用，巷道设计服务年限为20 a，设计长度360.5 m。

巷道四邻采掘关系，北东为24 区保护层轨道下山；北西为24 区保护层总回风下山下段；南东为+300 四号石门南西段。巷道上部四煤层还未回采。

2410 底板道提升运输巷井下标高为+263.3—+338.8 m，地面标高为+809.5—+1 003.5 m，对应地表为山区斜坡地形。巷道埋深为546.2～664.7 m。巷道顶板、底板、两帮均为岩石，巷道在掘进过程中穿越的岩层主要有黏土岩、泥质页岩、泥质砂岩、炭质泥岩、薄层煤线等岩层，主要为软岩类岩石，硬度低至f=2～4。

2410 底板道采用直墙半圆拱形断面，巷道净宽3.8 m，巷道净高3.5 m。

1.2 地质条件

（1）地应力条件。经过采用水压致裂法测试地应力水平，所获结果显示，该矿井田主要呈现以高水平应力为主的地应力类型，其中最大水平主应力值为20.5 MPa，垂直应力值为15.8 MPa。最大水平主应力方位为N84°W，最小水平主应力方位为N69°W，垂直应力方位为N48°W。矿井整体地应力水平为中等偏应力。

（2）围岩强度。顶板以上0～3.1 m 为粘土岩，3.1～6.2 m 为砂质泥岩，6.2～10.0 m 为粘土岩。其中砂质泥岩自然抗压强度为37.1 MPa，饱和抗压强度为16.1 MPa，软化系数为0.43，抗拉强度为2.83 MPa；而粘土岩强度更低，其自然抗压强度为4.4 MPa，饱和抗压强度为1.56 MPa，软化系数为0.34，抗拉强度为0.05 MPa。岩性强度低，遇水容易软化。煤的单轴抗压强度为13.78 MPa，抗拉强度为1.89 MPa，煤的强度较低。

（3）底板岩体中黏土矿物占到64.7%～77.8%，平均69.8%。黏土中含有伊蒙混层遇水膨胀成分和高岭石、绿泥石类遇水泥化成分，其中以高岭石、绿泥石类为主，黏土易发生泥化。

（4）地质构造分布情况。巷道在掘进过程中，实际揭露了较多断层，造成巷道围岩被构造节理切割，围岩整体破碎，节理裂隙发育。

（5）水文条件。该巷上赋煤层均未开采，无老空区积水和邻近巷道积水的影响，构造也未导通含水层，整体无水的影响，水文条件简单。

综上所述，巷道围岩整体处高水平应力区域，受构造应力影响显著，巷道围岩强度较低、结构破碎，岩体中含有遇水膨胀、泥化的成分，给巷道支护带来很大困难。

2 矿压显现特征及原因分析

2.1 现有支护参数

2410 底板巷道采用锚杆锚索支护，巷道表面喷射混凝土进行封闭。锚杆规格为φ20 mm×2 000 mm 螺纹钢锚杆，间距750 mm，排距750 mm，垂直巷道表面布置，单根锚杆采用1 卷Z2360 树脂药卷锚固，锚固力不小于70 kN，锚杆预紧力扭矩150 N·M。锚杆托盘采用150 mm×150 mm×8 mm普通钢材质蝶形托盘，未使用减摩垫圈和调心球垫，锚杆支护受力状态较差。围岩护表构件采用钢筋网，规格为φ6.5 mm 钢筋，钢筋采用点焊，网孔150 mm×150 mm，单个网片尺寸为1.5 m×2 m。锚索采用φ15.24 mm×6 300 m，排距2.0 m，间距1.5 m，单根锚索采用2 卷Z2860 树脂药卷锚固。在锚杆索施工完毕后，对巷道围岩实施喷浆封闭，封闭厚度100 mm，采用砂子、水泥、水混合按一定配比，混凝土标号为C20。2410 底板道支护参数如图1 所示。

图1 2410 底板巷支护断面示意Fig.1 Section of 2410 floor roadway support

2.2 巷道变形特征

（1）变形速度快，持续性强。2410 底板巷道掘出2 个月后随即发生变形，巷道进行加固后，很快又发生变形。

（2）全断面变形。巷道全断面发生变形，主要以顶底板变形和两肩变形为主，其中显著的特征是顶板下沉、尖顶、两肩破坏和底鼓。底鼓已发展到接近腰线位置，约750 mm 底鼓量。

2.3 巷道变形原因分析

（1）构造复杂、断层切割严重。地质构造复杂，揭露断层多达1 500 余条，巷道受断层切割严重，岩性变化大，巷道整体结构发生变化，造成稳定性降低。

（2）构造应力影响。当巷道受到较高的水平构造应力作用时，由于顶板和底板均为沉积岩层，在水平力作用下会发生向下和向上的挠曲变形，导致顶板向下弯曲离层，底板向上鼓起离层。同时，水平应力还会在顶底板中产生水平剪切错动作用，导致顶板和底板同时发生挠曲离层作用和剪切错动作用，岩层由巷道表面逐渐失稳向深部岩层发展，随着变形破坏由浅部向深部发生，水平应力释放，向深部集中，引起深部岩层进一步离层和错动，最终导致顶板下沉和底板鼓起现象。另外，两帮部在高水平应力作用下，在巷道中部产生显著的拉应力集中，导致帮部发生破坏，鼓帮现象严重。因此，高水平应力作用下，巷道会发生明显的顶板下沉、底板鼓起、两帮鼓出现象，是造成围岩破坏的重要原因之一。

（3）围岩岩性软弱。巷道所穿过的岩层为粘土岩、砂质泥岩、泥岩、页岩、煤线等软弱岩体，其中砂质泥岩遇水后的抗压强度出现较大幅度下降，由干燥状态下的43 MPa 下降为15 MPa，下降65%。黏土岩遇水后的抗压强度出现下降幅度更大，由干燥状态下的43 MPa 下降为14 MPa，下降73%。岩石强度低，遇水易软化。泥岩中粘土矿物占到69.8%。黏土中含有伊蒙混层遇水膨胀成分和高岭石、绿泥石类遇水泥化成分，其中以高岭石、绿泥石类为主，黏土易发生泥化。强度低、遇水软化、泥化且具有一定膨胀性是巷道围岩的特点，这对巷道的稳定造成不利影响。

（4）施工质量难以保证。施工工艺造成两帮下部锚杆施工有滞后，锚索施工几乎全部滞后。锚杆、锚索三径不匹配。两帮锚杆钻孔太深，部分锚固剂无法得到搅拌，有效锚固长度过小，且现场锚固剂包装袋过厚，不利于搅拌锚固。锚杆托盘与钢筋网孔尺寸相同，造成护表能力差，另外由于岩面不平，钢筋网刚度大，锚杆托盘无法密贴岩面，不能有效护表。施工现场无有效的锚杆预紧装置，造成锚杆预紧力偏低。

（5）支护材料不匹配。井下钢筋网网孔偏大，锚杆托盘无法起到有效的护表作用，更不能实现预紧力的扩散。锚杆构件无调心球垫和减摩垫片，无法适应岩面的变化和实现预紧扭矩的转化。锚固剂包装袋为硬质塑料包装，搅拌过程中可能存在搅拌不均匀的情况，影响锚固效果。

3 支护对策及设计

（1）对松软破碎类围岩喷射混凝土，封闭围岩，防止风化。

（2）增加支护强度、提高支护刚度，抑制离层发展。

（3）提高预应力，增加刚性构件，实现预应力扩散。

（4）进行巷道围岩分类，实行分类指导设计。

（5）提高支护系统与围岩系统的协调性，发挥支护与围岩同承载。

（6）保护、提升围岩强度，提升围岩发挥自承载的能力。

（7）进行合理的锚杆索材料的选型，选择合理的施工工艺。

4 支护设计

（1）拱顶支护。半圆拱部分锚杆采用BHRB500 材质钢材，杆体为左旋无纵筋螺纹钢材质，锚杆规格为M24-φ22 mm×2 400 mm，锚杆间排距为900 mm×1 000 mm，共布置7 根锚杆。单根锚杆采用1 卷MSK2335 和1 卷MSZ2360 树脂锚固剂，锚固长度设计为1.675 m，采取加长锚固形式。锚杆托盘采用150 mm×150 mm×10 mm，Q235 钢材质托盘，每个托盘配套使用1010 尼龙减摩垫圈，配套使用一个高强球形垫。锚杆预紧扭矩设计为400 N·M，最大不超过500 N·M。锚固力要求不低于190 kN。锚杆钻头使用28 mm 三翼岩石钻头。每个锚杆配套使用W 钢护板，以扩展预应力，增加支护的刚度，钢护板规格为280 mm×450 mm×5 mm。

采用两层菱形金属网，编制网的铁丝为12 号铁丝，网孔尺寸50 mm×50 mm，单片网片的尺寸6 200 mm×1 100 mm。

锚索采用1860 型21.8 mm 直径，1×19 股钢绞线，锚索长5.3 m，配套使用高强锚具。排距2.0 m，间距1.2 m，沿巷道中间呈2-1-2 布置，单根锚索采用1 卷MSK2335 和2 卷MSZ2360 树脂药卷锚固，锚固长度不低于2.733 m，锚索沿巷道周边围岩垂直打设，采用28 mm 三翼岩石钻头。锚索托盘采用300 mm×300 mm×16 mm，采用Q235 钢材制作，托盘承载力不低于550 kN，拱形托盘，配套球形垫。锚索锚固力不低于490 kN，锚索初始预紧力不低于290 kN，最终预紧力不低于250 kN。

（2）直墙支护。直墙部分锚杆采用BHRB500材质钢材，杆体为左旋无纵筋螺纹钢材质，锚杆规格为M24-φ22 mm×2 400 mm，锚杆间排距为800 mm×1 000 mm，共布置2 根锚杆。单根锚杆采用1 卷MSK2335 和1 卷MSZ2360 树脂锚固剂，锚固长度设计为1.675 m，采取加长锚固形式。锚杆托盘采用150 mm×150 mm×10 mm，Q235 钢材质托盘，每个托盘配套使用1010 尼龙减摩垫圈，配套使用一个高强球形垫。锚杆预紧扭矩设计为400 N·M，最大不超过500 N·M。锚固力要求不低于190 kN。锚杆钻头使用28 mm 三翼岩石钻头。每个锚杆配套使用W 钢护板，以扩展预应力，增加支护的刚度，钢护板规格为280 mm×450 mm×5 mm。

采用两层菱形金属网，编制网的铁丝为12 号铁丝，网孔尺寸50 mm×50 mm，单片网片的尺寸6 200 mm×1 100 mm。

锚索采用1860 型φ21.8 mm，1×19 股钢绞线，锚索长3.3 m，配套使用高强锚具。在直墙和拱交接处和距离底板500 mm 处分别打设1 根，每帮2 根，共4 根，呈2-2 平行布置，单根锚索采用1 卷MSK2335 和2 卷MSZ2360 树脂药卷锚固，锚固长度不低于2.733 m，锚索沿巷道周边围岩垂直打设，采用28 mm 三翼岩石钻头。锚索托盘采用300 mm×300 mm×16 mm，采用Q235 钢材制作，托盘承载力不低于550 kN，拱形托盘，配套球形垫。锚索锚固力不低于490 kN，锚索初始预紧力不低于290 kN，最终预紧力不低于250 kN。巷道断面布置如图2 所示。

图2 新支护设计断面示意Fig.2 Section of new support design

5 应用效果

在试验阶段对新支护技术应用段，进行了表面位移和锚杆索受力观测，如图3 所示。

图3 表面位移观测结果Fig.3 Results of surface displacement observation

（1）表面位移观测。对巷道表面位移进行20 d 连续监测。在开挖后刚开始的0～10 d，巷道围岩表面位移发生大幅度增长，增长速率较快，而在第10 d 以后，巷道围岩变形增长速度明显降低，整体的围岩变形量呈现稳定趋势，20 d 以后，巷道围岩变形不在增加，围岩变形稳定，其中顶板最大下沉变形量稳定在109 mm，两帮移近变形量稳定在212 mm，巷道变形量较小，围岩破坏得到有效控制。

（2）锚杆索受力。通过对巷道断面上的锚杆受预紧力进行监测，结果发现，周边锚杆按照从左侧底部起至右侧底部止的顺序，锚杆预紧后的受力荷载分别为29.9、56.4、41、31.2、67.6、101.6、55.3、60.3、49.6 kN，均值为55.8 kN，其中最大受力值为101.6 kN。预紧力较大的4、5、7、8、9、10 锚杆受力与初始预紧后的受力未有大的变化，反映了高预紧力下锚杆支护刚度较大，围岩发挥了自承支护作用。而2、3 号锚杆，由于初期预紧力不足，支护时相应的受力增长较快，反映了预紧力较小时，刚度小，围岩支撑作用小，荷载有向锚杆转移的趋势，不利于围岩支护作用的发挥。

通过对巷道断面上的锚索受预紧力进行监测，结果发现，2、3、4、5、6 号锚索受力分别为121、139.4、164.1、153.1、140.3 kN。预紧力较大的4、5 锚索受力与初始预紧后的受力未有大的变化，反映了高预紧力下锚索支护刚度较大，围岩发挥了自承支护作用。

锚杆索支护系统采用了高强度、高刚度、高预应力的材料规格时，支护体能够通过高预应力提供高刚度支护作用，围岩由二维应力状态变为三维应力状态，提升围岩承载强度，配合高刚度的护表构件使用，可实现巷道围岩初期变形、离层、裂隙扩展的强力抑制作用，支护体和围岩均能发挥较好的支护作用，有利于实现协同承载。该支护理念，显示了在复杂应力条件下软岩巷道围岩变形控制的良好性能，能够实现一次支护，避免了巷道围岩二次支护和返修，实际使用效果显示，围岩变形较小，巷道稳定时间段，稳定后不再发生变形增长，实际观测结果显示，顶板下沉最大值109 mm，帮部收缩变形最大值212 mm。