深部软岩巷道围岩稳定控制技术研究及应用

李晓海

大同市焦煤矿有限责任公司 山西 大同 037000

焦煤矿软岩回采巷道大变形问题，一直困扰着矿井健康发展。劈裂灌浆技术很好的解决了已经出现大变形或临界变形巷道的加固问题，巷道变形得到了有效控制。但是，对于巷道开挖后出现的大变形，一直没有较好的解决方法。为解决软岩巷道开挖后的大变形问题，焦煤矿在8505运顺进行极软岩大变形控制技术的研究与试验，采用柔性锚杆+恒阻锚索+马蹄棚的联合支护技术控制、延缓围岩大变形[1]。

1 矿井地质条件

大同焦煤矿位于山西怀仁市何家堡乡石井村，井田面积4.339km2，设计生产能力150万吨/年，8505工作面主采5#煤，工作面设计可采长度1254m，面长336m，设计可采储量 361.4万t，倾斜长壁综放开采。回顺长1310m，运顺长1364m。支护试验段位于8505 运顺490～590m。依据三维地震资料及生产实见，该区域范围内，运顺掘进至 563m 进入DF5断层上盘，DF5断层产状：258°∠55～65°H=1.7m。该断层下盘伴有煤层变薄缺失带。受断层、煤层变薄缺失带地质构造影响，施工中给顶板维护带来一定困难。断层及煤层变薄缺失带在试验段内影响范围27m。试验段煤层倾角3°，进入DF5断层上盘后增大至5～8°。煤层总体赋存较稳定，结构变化不大。

2 大变形问题分析

软岩回采巷道掘进期间的大变形主要与围岩岩性有关。焦煤矿回采巷道围岩属于强膨胀性、节理化复合型软岩。巷道围岩中含有大量黏土性矿物，其中：煤样的黏土性矿物含量 39.3%，煤层中的泥岩夹石黏土性矿物含量 40.9%，油页岩中黏土性矿物含量39.5%。黏土性矿物自身强度低，具有强膨胀、显著流变的特性。巷道开挖后，现有支护中的锚杆、锚索预紧力低，不能维持围岩径向应力平衡，围岩中黏土性矿物产生显著的碎胀、流变，像挤牙膏一样连绵不断的作用在圆棚或拱棚上。而圆棚、拱棚为刚性被动支护，其强度不足以抵抗围岩的强流变、碎胀，产生局部应力集中，最终导致巷道变形破坏。

3 支护设计

3.1 现有支护

焦煤矿回采巷道现有支护形式为：Φ22mm×2400mm 螺纹钢锚杆 +Φ28.6mm×5300mm钢绞线锚索 + 护顶钢筋网 + 帮部菱形网 +36U 型钢圆棚 +木板 + 喷浆。

经实测，现有支护形式中，Φ22mm 螺纹钢锚杆的拧紧扭矩不大于 400N·m （约为预紧力4.66t），Φ28.6m 钢绞线锚索的预紧力 17.5t。过低的预紧力不足以抵抗软岩的强膨胀、显著流变的特性。以8505运顺为例，滞后掘进工作面 40m处，围岩即出现大变形，棚梁被压弯、锚索随顶板下沉、木板压断，支护体变形失效严重。

3.2 试验段支护设计

3.2.1 巷道断面形状

试验段设计巷道断面为马蹄形，主要目的是为以后试验 110 工法做准备。现有支护采用圆形巷道，由于圆形断面在采用 110 工法时，切顶的切缝位置不容易确定，且液压支架后方留巷段的挡矸装置难以安装，无法充分发挥挡矸作用。因此，将巷道断面设计为直墙半圆拱形，以解决上述问题。为了防止底臌，在底部安装了底梁，形成马蹄形巷道断面。

3.2.2 支护形式

结合现有支护特点，试验段设计支护形式为：柔性锚杆+恒阻锚索+护顶钢筋网+帮部菱形网+马蹄棚+木板+外喷混凝土+锁腿锚杆的联合支护。现有支护与试验段新支护设计主要区别为：圆棚改变为马蹄棚，螺纹钢锚杆改变为柔性锚杆，普通锚索改变为恒阻锚索；其他基本与现有支护形式相同。具体支护材料及参数设计如下：

（1）恒阻锚索：由恒阻器、Φ21.8mm×7300mm钢绞线、托盘和锁具组成。NPR35-300-0.5 型恒阻器长 450mm，直径 79mm，最大允许恒阻位移350mm。恒阻锚索设计预紧力 30t，恒阻力35t，设计锚固力 42t。设计恒阻锚索间、排距为 1600×1600mm，每排布置 3 根。每孔使用 1支 CKb/Z23120 型树脂锚固剂锚固。锚索孔径为Φ28mm，深 7000mm。恒阻器孔径为 Φ95mm，深 500mm，锚索外露长度 300mm。托盘规格300×300×20mm，孔径 100mm。

支护原理：恒阻器内设有恒阻体，当围岩压力超过恒阻力 35t，恒阻器与恒阻体之间产生滑动摩擦，即恒阻位移。对于软岩巷道，高预紧力能够及时补偿三向应力平衡，控制帮顶下沉；恒阻变形功能能够吸收围岩变形能，从而起到控制、延缓帮顶围岩变形的效果。

恒阻锚索施工工序：打锚索孔→扩恒阻器安装孔→装锚固剂、钢绞线→充分搅拌锚固剂锚固锚索→等待 10min→安装锚索托盘→安装恒阻器→安装锁具→张拉施加预紧力（30t）。

柔性锚杆：由恒阻器、Φ15.2mm×2400mm 钢绞线、托盘和螺母组成。MSGHS-260/15(RX)-2.4型恒阻器长 415mm，直径 37mm，最大允许变形量300mm。柔性锚杆设计预紧力 12t，恒阻力 15t，设计锚固力 18t。柔性锚杆间、排距为 800×800mm，每排布置 12 根。每孔使用 2 支 CKb2370 型树脂锚固剂锚固。杆体孔径为 26mm，深 2300mm。恒阻器孔径为45mm，深 450mm，柔性锚杆外露长度为 30～70mm。柔性锚杆支护原理与恒阻锚索基本同，可简单理解为缩小版的恒阻锚索。

施工工序：打锚杆眼→扩恒阻器安装孔→安装柔性锚杆 （包括锚固剂、杆体、恒阻器、托盘、螺母）→使用锚杆钻机充分搅拌锚固剂锚固→风动扳手拧紧螺母→等待 10min后→张拉施加预紧力。

4 效果分析

4.1 效果分析

2021年10月30日试验段开始施工，至11月26日结束，共计施工100m，架设马蹄棚125架，柔性锚杆29根，恒阻锚索304根。据现场观测，试验段起始位置，现有支护巷道围岩下沉、煤体臌出，顶板围岩最大下沉量达到0.6m；而试验段巷道恒阻锚索对帮顶的控制效果明显，围岩未见明显下沉、臌出，顶板围岩最大下沉量 0.11m，对比现有支护下沉量减少 82%。试验段结束位置，现有支护左上帮受煤层变薄缺失带影响，滞后掘进工作面 30m 处，围岩臌出、木板压折、棚梁变形严重；而试验段内巷道，虽然受煤层变薄缺失带及DF5断层等地质构造影响，但马蹄棚未见明显变形，尤其是左上帮的恒阻锚索对无煤带油页岩的碎胀、流变性控制效果明显。

4.2 观测对比

试验段一共设置了10个监测断面，每个监测断面间距为20m，每个观测站布置有锚索测力计，用于监测恒阻锚索受力情况。其中1#～5#断面位于试验段内，6#～10#断面在试验段后方。监测区域共 180m。

普通锚索初始受力11.6t，滞后掘进面17m 增加到40t，增幅 245%。恒阻锚索初始受力32.1t，滞后掘进面 17m 增加到 33.5t，增幅4.4%。同样的滞后距离，二者比较，恒阻锚索受力增幅远远小于普通锚索。说明恒阻锚索高预紧力应力补偿作用，提高了初次支护强度，能够及时有效控制围岩压力增加。

恒阻锚索在滞后掘进面 40m、受力达到 34.7t时，受力值出现拐点，此时恒阻体在恒阻器内出现相对滑移，正在吸收围岩变形的能量。随着能量的吸收释放，围岩变形、碎胀能力逐渐减小，恒阻锚索受力值开始降低，恒阻体停止相对位移，围岩变形量得到有效控制。而普通锚索在滞后掘进面 40m 时受力高达 45.3t，且受力值继续上升，围岩变形能一直在增加，围岩变形量未得到到有效控制。在滞后掘进面 100m 时，试验段巷道顶板最大下沉量110mm，而现有支护巷道顶板最大下沉量 600mm，试验段巷道对比现有支护巷道顶板下沉量减少82%。

5 经济效益分析

试验段施工自2021年10月30日至年11月26日结束，共计27天。试验段支护对比现有支护形式，每米巷道增加材料成本：13662元-11865元=1797元。该工作面运顺44～185m，巷道现有支护变形严重，已不能满足正常运输及生产要求，被迫翻修。而试验段支护完好、未见明显变形。二者对比，节省翻修材料成本（11057-1797）×141=116.5万元（巷道翻修成本11057元/m）。

6 结束语

焦煤矿8505运顺“软岩巷道大变形控制技术”试验，经现场实践，试验段恒阻锚索支护效果明显，实现了软岩巷道开挖后大变形问题的有效控制。对比现有普通锚索支护，恒阻锚索预紧力提高 43%、最大受力下降 27%，顶板下沉量减少 82%。试验段马蹄棚未见明显变形，而现有支护的圆棚被压弯变形。恒阻锚索的高预紧力和恒阻变形功能起到了很好的支护效果，能够及时补偿应力、吸收围岩变形能，减小围岩变形量；对比普通锚索具有明显的材料及结构力学优势。但是，在试验段施工中也暴露出柔性锚杆施工工序复杂、施工时间长、预紧力合格率低等问题，被迫将柔性锚杆改回螺纹钢锚杆。试验巷道由于缺少对帮部围岩的高预紧力控制，巷帮收敛量大于顶板下沉量。