冯 清

(山西焦煤西山煤电集团公司杜尔坪矿，山西 太原 030053)

杜尔坪矿巷道矿压显现严重。随采深加大，矿压显现特点更突出，巷道支护更为困难，巷道翻修与维护导致直接成本增加，斜井、井底车场、硐室变形破坏严重，直接威胁矿井安全正常生产，巷道支护成为制约开采的重要难题之一。巷道变形破坏研究表明对于巷道围岩的支护，进行众多复杂的措施来多次维护巷道流变围岩虽能取得一定效果，但期望能非常有效控制深部破碎、软弱、流变围岩大变形仍是非常困难，完全控制围岩流变大变形目前几乎很难。

本文就杜尔坪矿巷道破碎软弱围岩支护技术难题进行研究。研究巷道浅部破碎圈和深部塑性圈的形成机制及变形破坏特征，针对巷道不同阶段的变形和破坏特征，提出一次支护需要重点预防浅部破碎圈的形成，并允许深部塑性圈的变形卸压；二次支护的主要任务是在适当时机阻止大塑性圈的继续扩展，实现深部极难维护巷道的安全有效支护。

本次研究将杜尔坪矿西大巷作为研究对象，西大巷为开采+460水平服务，巷道设计长度1654m，服务年限约30年。西大巷沿煤2顶板掘进，煤岩层硬度f=4～7。断面形状为马蹄形断面，S荒= 22.55 m2，S净=19.35 m2。

1 围岩变形特性观测及分析

1.1 表面变形特征

距迎头约100m巷道的左上帮距底板约1.6～2.0m处，浅灰色砂岩，出现明显的开裂、掉渣、脱落，向巷内移近20～40cm。

距迎头约50m巷道的右下帮，从底板向上约2.0m高度范围内，红褐色砂岩，由巷道表面到内部约60cm的厚度围岩破碎，块度约为20～40cm；拱基上下60cm范围内出现明显变形、开裂、脱落。

距迎头200m位置，断面明显缩小，表现为拱的两侧左上右下向内挤压约50～60cm，并出现鼓包现象。

巷道两侧人行道由于严重底臌引起倾斜，影响正常排水和行人，变形严重的位置巷道高度由4.3m降为2.0m左右。

1.2 深部位移测试

深部位移观测方法特殊，能很好适应极软岩层松动全测试，选用的材料和方法如下：

采用多钻孔深部位移测试方法，为本文的创新所在。克服了其他测试仪器无法在极软岩层中安装布置测点、操作不便、测点容易失效，测试结果不准的缺点；具有成本低廉、安装操作简单易行、测试准确等优点。

所用材料为现场废弃的旧钢绳、锚索、锚固剂等。依据巷道表面位移特征，测试断面见图1。

图1 深部位移观测钻孔布置断面图

方法：在巷道两侧的三个不同高度的布置三排钻孔，参数见表1。测试时，将废旧钢丝绳截成与孔深相匹配的长度，在每个孔底锚固一根相应长度的钢丝绳，在孔外留20cm长的余量作为自由端，并在自由端挂上500g的重锤使钢丝绳实时反应孔底的位移，观测结果如图3所示。

表1 深部位移测试钻孔布置参数

图2 多钻孔深部位移测试结果

由图2测试结果可知，钻孔深度为1.5～1.8m时，钻孔外部钢丝绳的缩短量很小，而深度大于1.8m的钻孔外部钢丝绳缩短量急剧增加，最大达到32mm；表明深度1.5～1.8m钻孔底部与孔口表面位移量基本相等，而深度大于1.8m的钻孔底部位移量远小于表面位移量。

由以上分析可得，+460m西大巷围岩松动圈范围为1.5～1.8m。

2 软岩巷道变形破坏机理分析

2.1 巷道变形破坏机理的损伤力学分析

巷道整体结构损伤源于材料劣化和局部失效。这种局部劣化和失效往往和结构中存在的初始缺陷有关。吴佰建等在文献[1]进行损伤力学分析，认为细观的损伤和响应性既受制于宏观上的作用因素，又可能显著影响宏观的响应或者失效性能[2-6]。

巷道的变形和破坏过程，是一个多因素造成的过程：细观结构可能发生为裂隙的形成、发展，宏观结构的弹性变形、塑性破坏或蠕变。一般情况下，当局部细节损伤萌生以后，宏观与细观尺度必然相互耦合，相互影响。这个特点决定了巷道支护设计的整体观念。有必要通过模拟和实验来掌握细观层次上的响应与失效状态何时、以怎样的途径去影响宏观结构性能。实质上，需要通过提高支护强度和刚度，来约束细观或有缺陷结构的损伤积累，增强巷道结构的整体自承能力。

2.2 巷道变形破坏机理的卸荷力学分析

文献[4]的研究结果表明：卸荷更容易导致岩石破坏，卸荷开始后表现出扩容特性，当围压降低到屈服前一定程度后，微量围压减少引起变形模量急剧减小。高应力卸荷条件下只比加载条件下低14%，而只比加载条件下高23%。

目前在巷道开挖等岩石地下工程中，开挖面径向则更表现为卸荷破坏。特别是出现拉应力后,结构面的力学条件将发生本质的变化,导致岩体力学参数急剧下降,卸荷变形剧增。

发生卸荷裂隙的方向大体平行于开挖的临空面，发生时间的滞后性。因此,这种现象引起塌方、滑坡等工程隐患。岩体的局部卸荷作用将导致巷道围岩的偏应力增大,从而导致岩体内的损伤发生演化,引起巷道岩体的力学性态呈现一定程度的恶化[3-7]。

巷道围岩在开挖之前处于三向应力平衡状态；开挖后，破坏了围岩的平衡状态，在松动圈范围内表现为卸荷变形、移动和破坏。在支护设计中，必须通过高强度、高刚度支护体系消除围岩内形成的偏应力，阻止松动圈的卸荷变形积累。

2.3 三轴卸荷岩石蠕变损伤细观机理CT扫描

试验结果表明，软岩巷道蠕变损伤扩展存在损伤演化的不均匀性和局部化现象。在蠕变瞬时段，裂纹在很短的时间内有一定的扩展，然后稳定扩展，岩石进入蠕变稳态段，随着时间的推移，岩石体积膨胀，轴向应变稳定增加，在稳态段的末期，裂纹扩展速度加快，CT数下降率增大，岩石很快进入蠕变加速段，由于岩石的脆性特性，在较短的时间内损伤急剧演化累积，导致试件发生蠕变损伤脆性断裂破坏。

通过CT扫描获取岩石进入蠕变加速段的裂纹扩展特性，结合现场巷道围岩钻孔窥视结果，建立宏微观变形关系。为软岩巷道支护时机的选择提供科学、准确的依据，以便实现深部极难维护巷道的安全、经济、有效支护。

3 支护方案设计及矿压观测

3.1 巷道支护设计依据及原则

笔者对巷道围岩不同支护形式的数值计算(篇幅所限，在此省略)，系统分析了巷道围岩的变形力学机制、塑性区、拉应力区的发展、围岩应力场等，表明深部软弱围岩条件下开拓巷道支护设计应遵循以下原则：

(1)宜采用顶帮锚网喷+底板锚固的全断面全长锚固方式。

(2)必须强调底板锚固的重要性，它是取代底板反拱，控制底臌最有效经济的支护措施。只有当巷道围岩与支护结构呈相对稳定，且没有明显支护薄弱环节的共同承载体系时，实现支护结构与围岩的匹配和变形耦合，才能有效适应并控制巷道围岩收敛位移，尽量减少返修。

(3)当围岩裂隙发育，对水泥浆液具有良好可注性，水泥浆液能较好实现劈裂渗透加固围岩作用时，应考虑采用全断面锚网喷+注浆锚杆+顶板锚索的支护形式，从控制高地应力围岩流变变形看，其效果是显著的。

(4)大幅度提高支护系统刚度与强度，特别是预应力，可有效抑制围岩结构面离层和弯曲变形，实现一次支护预防浅部破碎圈的有害扩展。

3.2 支护材料及参数

一次支护时挂10#以上，网格80mm×80mm的铁丝经纬压花网，采用Ф25mm×2100mm高强度锚杆，一次喷浆厚度为130mm；二次支护挂100mm×100mm的Φ6mm点焊接，规格1.0m×1.8m钢筋网，采用Φ25mm×2100mm高强度锚杆，喷射混凝土厚度20mm，锚杆间排距为1000mm×1000mm；Φ28mm×350mm树脂锚固剂，规格为 Φ150mm的铁托盘,锚杆锚固力岩层中不小于130kN，煤层中不小于70kN，预紧力均不小于400kN。

顶板破碎时采用锚索加固，锚索直径17.8mm，重量1.5kg/m，级别270K，强度1860N/mm2，截面积191.00mm2，延伸率≥3.5%，最低破断负荷 353kN，长度6m，采用中速树脂锚固剂，最小锚固长度≥1.5m,支护间排距2.5m×2.5m，由巷中向两肩窝对称布置，打两排，超前二次支护进行,单根锚索锚固力大于150kN。

3.3 矿压观测结果

顶底板移近与巷道两帮收敛测试结果(图3、图4)。

巷道的顶底板移近量与巷道两帮收敛测试结果表明，从巷道开掘后经历了2个月左右后巷道变形就可以趋向稳定，在巷道开掘初期40天内巷道变形收敛较快，随后巷道变形收敛趋向稳定，这表明选择较好的支护措施，完全可以很有效地维护深部回采巷道的围岩稳定。

4 结 论

(1)采用多钻孔方法测试围岩的浅部破碎圈和深部塑性圈，能够准确测定围岩松动圈，为支护设计参数确定提供准确依据。本方法具有简单、易行、低成本、高效益的优点。

图3 顶底板移近量与时间关系图

图4 两帮移近量与时间关系图

(2)初期支护要采用高刚度、高强度、高预应力锚杆，这样可有效抑制围岩结构面离层和弯曲变形，实现一次支护预防浅部破碎圈的有害扩展。巷道变形大幅减小，顶板离层有效控制。变形量可降低70%，顶板离层为原来的5%～10%，甚至近零离层。

(3)锚杆、锚索的整套构件力学特性必须匹配，这样支护体系的强度和整体性明显提高，能有效避免大变形[8]。

(4)对深部高应力软岩巷道，实施二次支护。必须强调在一次支护高强度、高刚度、高预紧力的基础上，允许有一定变形，释放压力；在合适时间二次支护，巷道支护状况发生本质性变化，围岩完整性与稳定性大幅提高。

由此可见，在深部开采的巷道维护问题中，关键要选择有效的现场测试手段、结合实验室研究，运用现代力学分析理论，搞清楚研究巷道特定条件下的变形力学机理，将巷道的顶、底、帮部围岩作为整体考虑来进行支护设计，从而实现控制深部围岩长期流变和大变形的目的。

[1] 吴佰建,李兆霞,汤可可. 大型土木结构多尺度模拟与损伤分析—从材料多尺度力学到结构多尺度力学[J]. 力学进展,2007,8(3):321-336.

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