武江海

（河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000）

二次支护技术在高地应力软岩巷道中的应用

武江海

（河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000）

随着矿井开采深度不断加深，巷道所受的地应力越来越大，采用传统的支护方式已不能较好地控制围岩的破坏变形。本文通过对东回风石门表面位移的监测曲线分析一次支护后巷道围岩破坏变形机理，得出巷道变形量大的主要原因是围岩所受地应力较大、支护深度较浅和支护结构强度较低。为此，在一次支护的基础上设计注浆锚杆和注浆锚索束相结合的二次支护技术，取得了较好的支护效果。

软岩；高地应力；二次支护；注浆锚杆；注浆锚索束

随着矿井开采范围的延伸，平顶山矿区多数矿井相继进入深部开采，大部分矿井开采深度达到1 000m左右，进入深部开采后，巷道所受的地应力越来越高，巷道围岩表现出大变形、高地应力、难支护等现象。矿山压力显现剧烈、巷道变形速率快且变形量大，围岩结构不稳定，巷道的破坏变形严重，巷道返修率超过50%。返修频率高，局部区段达到两三次，支护难度大且支护成本高，严重影响矿井的安全生产。对于类似平顶山矿区的深井软岩巷道大变形、难支护的现象，国内外的学者进行了大量研究，如何满潮院士提出耦合支护理论［1］，陆家梁教授提出联合支护理论［2］，这些理论都较好地解决了软岩巷道的支护难题。本文以平煤股份一矿-950水平东回风石门为研究对象，运用软岩巷道支护的相关理论，进行积极探索，在一次支护的基础上，采用注浆锚杆和注浆索束二次支护技术成功地解决深井软岩巷道支护难题。

1 工程背景

东回风石门是平煤一矿三水平下延工程的二期工程，巷道设计全长358m，巷道埋深1 075m，按方位197°施工，巷道0～140m设计为3‰下山，巷道140～155m设计为平巷，巷道155～216m设计为14°上山，巷道216～358m设计为3‰上山。巷道断面采用半圆拱形断面，巷道设计净宽6 000mm，净高4 850mm，墙高1 850mm，S净=25.24m2，S掘= 27.24m2，平面图如图1所示。巷道距戊组煤顶板约23m，巷道层位处在丁组煤与戊组煤之间，岩石倾角5°～9°，巷道所处的岩层是厚度为11.2m的灰黑色的泥岩中。

2 一次支护破坏变形机理分析

2.1 巷道表面位移的监测

东回风石门一次支护采用锚网索喷支护，锚杆采用直径22mm，长度为3m高强树脂锚杆，锚杆间排距均为800mm，每根锚杆的锚固力不小于276kN，每根锚杆使用3卷型树脂药卷进行锚固；金属网采用直径为6mm，钢筋网网格形状为正方形，边长为100mm，两片金属网之间的搭接长度不少于100mm；喷射混凝土：喷射混凝土的强度等级不低于C20，经初喷和复喷后，喷浆总厚度不小于150mm；锚索采用直径22mm，长度为8m钢绞线，锚索间排距均为1 400mm，每根锚索的锚固力不小于300kN，每根锚索使用5卷Z2850型树脂药卷进行锚固，一次支护断面图如图2所示。

图1 东回风石门平面图

图2 一次支护断面图

为了更好地研究围岩的破坏变形规律，岩体和支护结构的之间相互作用，确定最佳二次支护时间，巷道进行一次支护后，对东回风石门巷道表面的位移进行3个月的观测，监测曲线如图3所示。

由图3可以看出，巷道围岩的移动变形是非线性的，深部围岩的破坏变形可划分为3个阶段［3-6］。第一个阶段是急剧变形阶段，在巷道开挖后1～25d内是巷道围岩的急剧变形阶段，巷道表面围岩的变形速率较大。这是由于巷道开挖后引起地应力重新平衡分布，巷道浅部围岩的强度较低，在高地应力的作用下，在巷道的表面形成应力集中，围岩内的变形能得到释放。第二个阶段是平缓变形阶段，在巷道在开挖25～50d后，巷道破坏变形量仍不断增大，但围岩的变形速率逐渐减小。在这个阶段，围岩内的变形能得到释放，支护结构发挥一定的作用，应力集中逐渐地向深部围岩内转移，随着深部围岩承载能力增强，传递到巷道表面的位移速率逐渐减小。第三个阶段是相对平稳阶段，在巷道开挖50～120d，巷道的围岩变形趋于相对稳定，此时巷道围岩的地应力平衡已经趋于相对平衡，但巷道仍以较小的速度发生蠕变变形［7，8］。

图3 巷道表面位移的监测曲线

2.2 一次支护巷道破坏变形机理

巷道一次支护后，在未对其进行二次支护的条件下，巷道整体出现了顶板下沉、两帮收敛、底鼓和部分锚杆、锚索拉断的现象，巷道整体变形量较大，喷浆层开裂，尤其是巷道的两帮和拱部，喷浆层脱落最为严重，部分地段出现帽顶和偏帮的现象。从围岩的力学性质方面来讲，这主要围岩在高地应力环境下，围岩的力学性质发生变化，在埋深较大的高地应力区域内，由于受到高地应力的影响，围岩的力学状态由弹性向弹塑性转变，围岩的变形由脆性向延性转化，表现出软岩的力学特性。若仅采用一次支护，极易出现偏帮、帽顶等大变形的破坏变形，即使巷道处于相对稳定的状态，围岩还以较慢的速度发生蠕变变形［9］。从支护效果方面来讲，由于巷道围岩的强度较低，在巷道围岩在开挖和支护的过程中受到不同程度的风化，在高地应力的作用下，围岩发生膨胀变形，随着矿山压力不断增大，造成支护变形破坏。当不断发育围岩的塑性区域超过锚杆的锚固长度时，锚杆支护将会失效，此时巷道附近的水平应力和垂直应力共同作用大于支护结构和围岩形成的支撑作用时，巷道因支护失效而发生严重的破坏变形［10］。

通过以上分析可知，巷道在进行一次支护后，由于地应力较大，围岩破碎、强度低、塑性区域大，一次支护深度和强度并不能很好地控制围岩变形，应对巷道进行二次支护。

3 二次支护设计

东回风石门所受的地应力较大，一次支护后围岩的塑性区域较大，根据软岩巷道的支护原理，对东回风石门进行二次支护，在进行二次支护设计时应遵循以下设计思路。

①增强支护体系的支护强度和支护深度，充分利用围岩的自身承载能力，发挥支护体与围岩的相互协调作用。由于高地应力的围岩松动圈较大，矿山压力显现剧烈，通过增强支护体系的支护强度和支护深度，使支护体系和围岩变形力学特性相适应，将巷道附近围岩的压力传递到深部稳定围岩内，降低巷道附近的压力，充分调动深部围岩的承载能力。选用二次支护技术的关键在于实现围岩与支护体之间的协调，改变围岩自身的承载性能，允许围岩发生一定变形，实现高阻让压［11］。

②大范围改善围岩的性质，提高围岩的整体承载能力。对于松动范围较高的应力软岩巷道，巷道围岩控制的关键还在于对围岩破碎区域的控制。通过大范围的注浆，将深部破碎的围岩胶接在一起，一方面可在较大范围内强化围岩的力学性能，另一方面还可以为锚杆提供更好的锚固基础，使注浆加固后的围岩能够与支护体系形成承载能力更强的承载圈，增强围岩的支护效果。

根据二次支护的设计思路和以上论述，对东回风石门的二次支护进行设计，提出采用注浆锚杆和注浆锚索束相结合的二次支护技术。

4 方案实施

4.1 主要支护参数

二次支护注浆锚杆采用直径为25mm、长度为3m的注浆锚杆，注浆锚杆间排距均800mm，每根注浆锚杆使用3卷Z2850型树脂药卷进行锚固，锚杆采用HRB35厚壁无缝钢管制作而成；注浆浆液采用42.5R级硅酸盐水泥，并按一定的比例添加水泥添加剂，注浆锚杆注浆压力控制在3MPa左右。由3根1×19-φ22×16 000mm钢绞线组成锚索束，锚索束间排距1 600mm×3 200mm，每排布置5根，注浆浆液采用42.5R水泥单液浆，注浆组合锚索注浆压力控制3～5MPa，支护断面图如图4所示。

图4 支护断面图

4.2 关键技术

①二次支护时，需要选择合理的二次支护时间，若二次支护的时间过早，围岩并未进行充分变形，赋存的能量不能得到释放，若作用在支护体上，将对支护体造成破坏；若二次支护的时间过晚，则造成围岩塑性区域过大，破坏变形严重，因此应根据围岩的表面位移的变形监测曲线分析确定二次支护时间。通过图3可知，二次支护的注浆锚杆施工一般控制在一次支护后15～20d，注浆锚索束在其后7d内施工，二次支护一般在一次支护后25～30d完成。

②具体注浆的过程中，由于围岩裂隙的发育程度并不完全相同，浆液的水灰比控制难度较大，需要不断地进行调整。根据现场注浆情况，浅部注浆锚杆一般控制到1∶1.2～1∶1.4，深部注浆锚索束一般控制在1∶1～1∶1.2。

③安装锚索束难度大，由于3根16m锚索束重量大、长度长，为保证排气管完好，需要人工将锚索束推入孔底。

4.3 支护效果检验

为了检验支护的效果，在巷道进行二次支护后，仍采用十字观测的方法，对巷道的表面位移进行观测。在实际的观测中，东回风石门二次支护施工两个月以后，巷道表面位移的变形就基本趋于稳定。通过巷道表面位移连续两个月的观测，统计出观测数据，通过对观测数据的整理，得出巷道顶板下沉量、两帮的收敛量和底板鼓起量的变化曲线，如图5所示。

图5 二次支护后巷道表面位移的监测曲线

通过图5可以看出，经过二次支护后，东回风石门的围岩得到了很好的控制，顶板的下沉量、两帮的收敛量和巷道的底鼓量在治理后随着时间的推移逐渐线性增加，然后缓慢达到最大位移量。二次支护后的东回风石门巷道破坏变形剧烈阶段为二次支护后的20d，在二次支护施工后的40d左右，巷道围岩的变形几乎趋于稳定，已达到相对稳定状态。这表明二次支护施工后的40d内东回风石门采用二次支护体系已经充分发挥支护作用，较好地控制了巷道的围岩。通过将图3和图5对比分析可知，二次支护前后巷道表面的位移量相差很大，二次支护后巷道表面的位移量减小量较大，尤其是底鼓量减小量最大。采用二次支护后，巷道的顶板下沉量、两帮收敛量、底板鼓起量分别减少了186、453、586mm，降低幅度达77.3%、79.4%、87%，采用二次支护后东回风石门巷道围岩表面的位移量降低幅度达到77%以上，其中底鼓量的降低幅度均达到87%以上，这表明采用浅部注浆锚杆和深部注浆锚索束的二次支护技术较好地提高了围岩的整体性和承载能力，取得了较好的支护效果，这为深部高地应力软岩巷道围岩的控制提供了借鉴经验。

5 结论

通过对-950水平东回风石门进行注浆锚杆和注浆锚索束的二次支护，主要得出以下结论。

①二次支护中采用的中空注浆锚杆用树脂锚固剂固定，能够及时提供预紧力，等同于树脂锚杆的作用，由树脂端锚变成全长锚固，及时增强锚网索喷支护，提高围岩锚杆支护效果。

②通过浅部和深部注浆形成厚度较大的围岩加固圈，同时利用锚索束将浅部围岩的受力向深部围岩转移，降低巷道表面的应力集中，发挥锚索束的支护承载能力。

③采用二次支护技术后减少了一次支护中墙部锚索的设计，而且注浆锚杆注浆工作可在耙斗机后方施工，实现了锚网索喷、注浆锚杆注浆、注浆锚索束各主要工序平行作业、互不影响，减少了一次支护工程量，有效提高了施工速度。

［1］何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学［M］.北京：科学出版社，2002.

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［6］王伟，宋选民.高应力软岩巷道二次支护技术研究［J］.煤炭技术，2016（10）：121-123.

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Application on Secondary Support Technology in High Geostress Soft Rock Roadway

Wu Jianghai
（Henan Polytechnic University School of Civil Engineering，Jiaozuo Henan 454000）

Roadway bearable ground stress is bigger and bigger with the deeper of mining depth be--comes,the destruction of the surrounding rock deformation can't be controlled better by traditional way of support.This paper analyzed the damage of surrounding rock deformation mechanism by the monitoring curve of surface displacement of east return air crossdrift,drawing a conclusion that the main reason of the deformation of roadway are roadway bearable higher ground stress,support dep--th relative shallower,support structure lower strength.So it designs secondary support technology of grouted bolt and grouted anchor beam combined,which have made better support effect.

soft rock；high geostress；secondary support；grouted bolt；grouted anchor beam

TD353

A

1003-5168（2017）05-0082-04

2017-04-15

武江海（1983-），男，在职硕士，工程师，研究方向：工程技术和项目管理。