井下掘进支护问题及应对措施研究

＊赵尧禹

（山西焦煤西山煤电官地矿 山西 030022）

随着巷道埋深的不断增加，不仅带来了支护成本的增加，同时也带来了支护难度的提升[1]，特别是很多在巷道浅部掘进支护过程中，取得较好支护效果的方案和技术，在巷道深部支护的过程中，表现出较强的不适应性，严重制约了巷道整体的使用情况，需要充分结合深部巷道特点[2]，研究提出更为全面的返修支护方案。因此，对煤矿掘进支护问题及应对措施进行分析有着较为重要的意义。

1.工程概况

官地煤矿北大巷北翼总回风巷延伸布置的过程中，穿过泥岩、泥灰岩等多个岩层，从巷道整体所处的地质环境来看，地质构造相对较多，应力环境相对复杂，各个分层厚度相对较小，岩石的强度也相对不高。巷道所处位置顶底板岩性见表1所示。从巷道的设计来看，原支护设计采用的是锚梁网索支护方式。

表1 巷道顶底板岩性图

在巷道掘进之后，围岩整体出现了较大的变形破坏，主要变形破坏特征表现在两个方面：

一方面，变形速度相对较快，在较长的时间内不能达到稳定状态。从现场勘察情况来看，在巷道掘进之后，巷道变形速度最高可达到每天100mm，巷道围岩变形时间平均达到了两个月，部分地段甚至接近半年才达到稳定状态。技术人员对变形的巷道采取了针对性的加固措施，但是在这些措施实施之后，巷道仍旧出现了较大变形，这表明巷道并没有形成有效支护结构。

另一方面，巷道变形表现出全断面特征。相对于一些巷道出现两帮和底板变形问题来看，轨道石门巷道表现出全断面的变形，不论是巷道的顶底板还是巷道的两帮，整体变形量均相对较大，部分地段顶板的下沉量超过了600mm，两帮的相对收敛量超过了500mm，底板的鼓起超过了650mm。

巷道出现了上述变形破坏问题，已经严重影响到巷道整体功能的发挥，需要及时采取针对性的返修措施，对巷道进行返修，确保巷道使用功能。

2.巷道变形破坏机理研究

为了全面掌握巷道出现大变形大破坏的问题，本次对巷道整体的情况进行了全面的分析和研究。

(1)巷道围岩结构窥视

从巷道出现的持续变形破坏来看，与巷道顶板岩层中存在的结构裂隙分布和具体的演化有着较为密切的关系。在本次分析时，对巷道的两帮、顶板10m范围开展了钻孔窥视，本次一共布置了3个窥视钻孔，具体布置在巷道的两帮和顶板，见图1所示。

图1 巷道围岩结构窥视钻孔布置示意图

通过对巷道围岩进行窥视发现，对于第一个点位的窥视孔，巷道顶板表面到0.5m的范围内，巷道围岩整体较为破碎，在0.5～5m的范围内，围岩相对完整。从第二个点位窥探孔来看，巷道表面到2m的范围内，围岩整体较为破碎，在2.7～3m的范围内，围岩较为破碎，在3.3～4.2m的范围内，裂隙整体较为发育，在5m以外的岩石，整体较为完整。从第三个点位的窥视孔可发现，在表面到0.9m的范围内，围岩整体较为破碎，在1.6～2.5m的岩石中有较多的裂隙发育，在4.7～7m的范围内，围岩整体完整性增加，在7.9～8.2m的围岩又表现出较为破碎。

通过上述窥视及理论分析发现，巷道围岩变形破坏整体具有如下特征：

第一，在巷道浅部，2m范围内，围岩整体破碎较为严重，这表明在浅部并没有形成有效的支护强度和刚度，对于巷道浅部出现的变形破坏问题不能较好控制。所以，在对巷道进行返修时，应当对巷道浅部全面增强支护的刚度和强度，提升巷道锚杆、锚索在支护过程中预紧力。

第二，在巷道两帮2.7～3m的范围内，围岩整体较为破碎，从本次分析情况来看，在该范围内，属于锚杆支护区分界面，岩体整体处于较强的受拉状态，导致容易出现离层的情况。

第三，在巷道3.3～4.2m的范围内，巷道围岩出现了较为明显的横向裂隙发育问题。因此，在进行初始支护时，在巷道的两帮并没有设计锚索支护，锚杆在支护时，其能够提供的支护范围在2m范围内，对于超过2m的岩体，整体处于没有支护的状态，在掘进扰动及高地应力的影响下，这些岩石容易出现破碎的问题。同时，从原巷道掘进支护来看，仅仅在巷道顶板中部设置了锚索支护，锚索整体支护强度不够，导致锚杆支护范围之外的岩体整体较为破碎。所以，在对巷道进行返修过程中，应当针对性提升锚索支护的数量和质量，实现对更大范围岩体的强化支护[3]。

第四，从原支护来看，巷道两帮整体的支护强度、刚度相对较低，特别是从窥视的情况来看，巷道两帮的破碎已经明显超过了巷道顶板。所以，在返修时，需要重点加强对巷道两帮支护强度，提升两帮支护效果[4]。

第五，因为巷道围岩整体已经较为破碎，其中已经形成不连续裂隙，所以，在对巷道进行返修时，需要首先通过注浆加固的方式，对巷道围岩进行整体性修复。从钻孔窥探情况来看，巷道浅部破碎的范围是2m，巷道深部破碎的范围是5m，因此，在注浆返修时，浅部注浆孔的深度应当设计在3m为最佳，在对深部进行注浆加固时，注浆孔深度应当以6m为最佳。

(2)巷道变形破坏机理分析

通过对巷道所处围岩条件等因素进行分析可知，导致巷道出现大变形大破坏的主要原因是巷道整体水平应力较为突出，巷道所处地段的围岩岩性相对偏弱、原支护强度相对不高等因素，具体为如下几个方面：

第一，巷道所处地段构造较为复杂，断层切割的问题突出。从某煤矿整体处于的地质条件来看，地质构造问题较为突出，已经揭露的断层数量已经超过了2000条，导致巷道出现了较为明显的水平构造应力集中的问题。从现场地应力的测试情况来看，水平应力属于主要应力，在水平构造应力的作用下，剪切应力作用明显，导致巷道顶板出现了分层变形的问题，若未得到及时支护，容易沿着岩层发生离层问题。

第二，巷道围岩整体的强度相对较低，同时，表现出明显的膨胀性。在巷道掘进的过程中，通过钻孔取芯的方式，对巷道围岩岩性进行了分析，得到巷道围岩中有黏土层、砂质泥岩、页岩等，这些岩体整体属于软弱岩体，特别是砂质泥岩整体的强度不高，其他岩石遇水容易出现软化的问题。技术人员通过选择使用X射线衍射的方式，对岩石矿物成分进行了研究，其中黏土矿物所占的比例接近70%，特别是其中有较多的绿泥石、高岭石，这些成分容易发生泥化的问题，导致巷道出现明显的膨胀变形。

第三，巷道周边硐室相对较多，容易出现应力集中的问题。从巷道布置情况来看，巷道与石门错车场之间的岩体宽度相对较小，仅仅为10m，通过钻孔窥探的情况来看，这个宽度内的岩体已经出现了较为严重的破碎问题。

第四，从现场的调查来看，在巷道原支护施工的过程中，巷道两帮在进行锚杆施工时，出现了滞后的问题，锚索在施工时，滞后工作面施工，这就导致在巷道掘进的过程中，巷道设计的支护体不能实现对巷道围岩的及时有效支护，巷道围岩出现了较大的变形后才进行有效支护，导致巷道围岩出现了较为明显的破坏。同时，从支护体的构件来看，锚杆和锚索出现了“三径”不匹配的问题，两帮锚杆在支护的过程中钻孔出现了太深的情况，导致锚固剂不能得到充分搅拌，影响到有效锚固长度。现场使用到的锚固剂包装也相对较厚，影响到搅拌锚固效果，最终表现出锚固力不足，支护效果不佳。

3.巷道返修支护对策分析

从本次巷道返修支护情况来看，对于已经出现了较为严重变形破坏的巷道围岩，在返修支护时，若仅仅采用锚杆与锚索补强支护的范围，因为围岩内部整体属于不连续的变形，导致围岩的状态不能有效恢复，特别是巷道围岩可锚性的降低，巷道围岩结构表现出稳定性不强的情况，不能抵抗持续挤压的影响，容易发生持续变形。因此，在本次进行返修时，应当注重采取注浆加固的方式，实现较为破碎围岩的整体充填加固，在巷道围岩整体性得到提升之后，再配合使用锚杆和锚索进行强化支护。本次在对巷道进行返修时，考虑到巷道出现的持续变形问题，在对巷道进行加固的基础上，选择使用锚杆和锚索进行强化支护，从而在巷道围岩中形成较为完整的承载结构。此外，为了防止巷道出现持续风化的问题，在上述支护完成之后，技术人员还需要在巷道表面进行喷浆操作，实现对围岩的有效封闭。本次具体返修支护技术方案为：

首先，巷道围岩注浆。根据本次巷道围岩钻孔窥探情况和巷道围岩整体出现的变形破坏特征。在本次返修时，选择使用先进行巷道浅部注浆，然后再进行巷道深部注浆的方式，分阶段、分层级实现对巷道围岩强度的有效强化和提升[5]。在注浆材料的选择时，水泥作为本次注浆的基础材料，并向其中加入添加剂。根据本次裂隙发育的程度，在浅孔注浆时，深度设计为3000mm，注浆压力控制在2.5MPa左右，深部注浆时，深度设计为6000mm，注浆压力控制在5.5MPa，注浆孔布置情况见图2所示。

图2 返修支护中注浆孔布置示意图（单位：mm）

在巷道注浆加固支护时，选择使用锚杆和锚索进行联合强化支护。本次返修过程中，锚杆和锚索返修支护参数见图3所示。本次选择使用的锚杆参数为φ22mm×2400mm的高强度锚杆，锚索采用的支护参数为φ22mm×5300mm的高强度锚索。

图3 返修支护中锚杆、锚索支护参数（单位：mm）

在注浆加固和锚索、锚杆高强度支护之后，对巷道表面进行了喷浆，通过喷浆施工的方式，实现对巷道表面围岩的全面强化支护，最大限度的降低巷道围岩风化问题[6]，对巷道表面围岩也可以实现较强的加固效果。在本次喷浆时，混凝土的强度等级选择为C20，本次喷层的厚度设计为100mm。

巷道选择使用了上述返修方案进行返修支护，技术人员对巷道表面进行了位移监测，一共监测的天数超过了170d，从本次巷道监测的情况来看，巷道返修后，在23d的范围内，巷道整体出现了较大的位移，在加固之后的30d后，巷道整体已经较为稳定，从最终的巷道位移量来看，顶底板的相对移近量平均为120mm，底板的鼓起量平均为188mm，已经对巷道正常使用不会产生较大影响，这表明本次返修支护，取得了相对较好的返修支护效果。

4.结论

综上分析，从当前深部巷道掘进支护来看，整体面临的形势和任务较为严峻，传统的巷道支护策略在很多方面表现出了较大的不足，因此，这就需要煤矿企业充分认识到当前深部巷道掘进支护面临的突出问题和短板，切实采取针对性的措施，全面强化对巷道的支护，特别是各项支护策略的选择，应当全面从巷道所处地段的地质情况出发，更好地提升方案的科学性和可适应性，这对于提升深部巷道掘进支护效果较为关键。