孟 强

（同煤集团晋华宫矿，山西 大同 037000）

随着浅部资源的枯竭，杨河煤业进入了深水平开采，主要巷道及生产采区埋深大多在500m以下，深部岩体在“三高、一扰动”作用条件下表现出明显的软岩特性，井下大量岩巷、煤巷与浅水平巷道相比，变形量大幅增加，大量巷道需要经过一次或多次扩修，才能满足服务年限。以杨河煤业42轨道下山为工程背景，研究高应力破碎软岩巷道围岩控制技术，为解决煤矿深井高应力破碎软岩巷道支护难题提供一条有效途径。

1 工程地质概况

杨河煤业42轨道下山于42轨道平台南端开口，开口层位于L7灰岩中下部，巷道在掘进过程中其掘进层位基本位于L7～8灰岩中，局部地段受断层影响会揭露二1煤底板泥岩。在巷道揭露的地层中：二1煤底板泥岩厚3.2～10.9m，平均5.46m，灰色，f=4～5；L8灰岩厚2.8～6.6m，平均4.6m，灰色，致密坚硬，f=8；L7～8灰岩泥岩夹层厚1.6～4.5m，平均3.5m；L7灰岩厚1.0～5.5m，平均2.8m，灰色，致密坚硬。

2 巷道围岩变形破坏数值模拟分析

由于42轨道下山在掘进期间揭露F7、F8两条断层，地质构造使得巷道围岩存在较大的水平应力，当巷道开挖后，原岩应力受到扰动，巷周应力在重新分布的过程中，构造应力造成巷道失稳破坏。

2.1 数值模拟模型

数值模拟目的是探究巷道围岩变形破坏特征，确定巷道变形破坏规律及破坏范围。根据杨河煤业42轨道下山巷道地质情况建立数值模拟模型，模型尺寸为152m×10m×86m（长×宽×高）。42轨道下山巷道断面形状为直墙半圆拱形，净断面尺寸为5.0m×3.6m，巷道实际埋深530～600m左右，取560m，它由131720个单元和147708个节点组成。具体模型如图1所示。

图1 数值模型

2.2 岩石物理力学参数

数值模型边界条件采用位移和应力混合边界条件，令模型下部边界和左右边界均简化为位移边界条件，模型顶部采用应力边界条件，在顶部施加均匀的垂直向下的应力以模拟覆岩荷载。本次数值模拟采用的各煤岩层岩体力学参数是结合杨河煤业原有的地质资料，最终确定数值模拟过程中巷道围岩岩石力学参数数值如表1所示。

表1 巷道围岩岩石力学参数数值

2.3 巷道围岩破坏原因分析

图2所示是42轨道下山巷道围岩垂直应力云图。由数值模拟结果可知，巷道顶板出现明显的应力降低区，巷道顶板破坏比较严重。与此同时，巷道底板由于在两帮垂直应力作用下向巷道内移动，巷道底臌比较严重。在高应力软岩巷道中，巷道底板极易成为巷道变形破坏的突破口，尤其对泥质软岩巷道而言，底鼓导致水沟破坏后，使得底板泥质岩体长期受水浸泡，从而诱发更加强烈的膨胀型底鼓。巷道两帮由于受到高水平应力作用出现严重的变形、破坏。有些巷道段在承受较强侧压情况下，由于顶板岩性差，支架抗压能力弱，迫使巷道出现尖顶型破坏，顶板下沉严重；整条巷道均存在严重底鼓现象，巷道两帮出现严重片帮和变形，所以后期要重点加强巷道顶板支护、巷道底板以及巷道两帮片帮和变形的治理。

3 软岩巷道耦合支护技术研究

3.1 巷道耦合支护方案

首先采用锚杆支护形成承载结构，加固浅部破裂围岩，改善围岩力学性能，提高其残余强度。在此基础上，针对支护承载结构存在的薄弱部位，采用锚索补强支护，一方面将一次锚杆支护形成的承载圈锚固至深部稳定岩体，形成更厚、更强的承载圈；另一方面，对支护薄弱部位实现结构补偿，提高支护承载结构的稳定性和承载能力。如图3。

图2 巷道围岩垂直应力云图

图3 二次锚网协同支护示意图

（1）一次锚杆支护：巷道断面采用锚索配合锚杆作为基础支护，每排布置10根锚杆，2根锚索，间排距为800×1000mm，详细支护参数见图4；选用规格为Ф20×2400mm的锚杆，底角锚杆距底板高度为600mm并向下扎角15°；构件选用M22加强防松螺母，选用规格为140×140×10mm的蝶形托盘；每根锚杆使用一支K2350、一支Z2350的树脂锚固剂；锚杆预紧力矩不得低于260N·m。

锚索选用Ф18.9×5200mm的七股钢绞线，抗拉强度不得低于1860MPa，选用规格为300×300mm的废旧U型钢轧制托盘；要求每根锚索使用一支K2350、两支Z2350的树脂锚固剂；选用高强度的钢筋网进行护表，网目大小为60×100mm；锚索预紧力不得低于100kN。

（2）喷浆：对巷道表面喷浆前应对巷道支护质量进行全面检查，要求对所有锚杆、锚索施工质量进行全面复查，经验收合格后方可喷浆。喷浆过程中应力求巷道成型美观，为后期开展二次支护创造条件。

（3）注浆：注浆过程中视围岩破碎情况采用多轮、分次、深浅结合注浆方式，顶、帮注浆锚杆长度可采用1.5m和2.5m两种规格，注浆锚杆间排距为2.0×2.4m，起注高度1.0m。

注浆水泥采用425#普通硅酸盐水泥，水灰比（重量比）控制在0.6:1～0.7:1之间，应遵循自下而上的注浆顺序，且注浆过程中注浆压力一般不应超过3MPa。

图4 42轨道下山一次锚网支护断面（单位：mm）

（4）二次锚索支护：在注浆结束后，在一次锚网支护之间进行二次支护。每排布置7根锚索，间排距1600×2000mm，最下一根锚索距底200mm。锚索选材同一次锚网支护锚索，选用规格为300×300mm的废旧U型钢轧制托盘；要求每根锚索使用一支K2350、两支Z2350的树脂锚固剂；选用高强度的钢筋网进行护表，网目大小为60×60mm；锚索预紧力不得低于100kN。二次支护详细支护参数如图5所示。

3.2 底板加固方案

虽然底板锚网支护是一种典型的主动支护方式，能够有效发挥围岩体自身的承载能力，但42轨道下山作为松软易变形的高应力软岩巷道，虽然锚固性能能够达到设计要求，但相较于U型钢支架而言，锚网支护护表性能较差，松软的岩体极易从锚杆之间挤出，单纯底板锚网支护很难控制巷道底鼓。底反拱支架和混凝土反拱作为典型的被动支护方式，其护表性能较好，具有一定的承载能力，但反拱施工较为繁琐，且下山巷道施工难度较大，难以大面积推广应用。

图5 42轨道下山二次锚网支护断面（单位：mm）

由于42轨下围岩岩体松软，且受滑动构造影响，发育多条断层，围岩裂隙较为发育，因此底板注浆加固能够有效提高岩体的完整性及其强度，故选用底板注浆对巷道底板进行加固，注浆结束后对巷道底板进行混凝土滚底。具体要求如下：

注浆过程中视底板围岩破碎情况采用多轮、分次、深浅结合注浆方式，注浆锚杆长度同帮顶要求，可采用1.5m和2.5m两种规格，注浆锚杆间排距为2.0×2.4m。

注浆水泥采用42.5#普通硅酸盐水泥，水灰比（重量比）控制在0.6:1～0.7：1之间，应遵循自下而上的注浆顺序，且注浆过程中注浆压力一般不应超过3MPa。

注浆结束后对底板进行混凝土滚底，滚底厚度不得低于200mm，以保证封闭围岩。

4 巷道矿压观测分析

为掌握施工质量和支护工作状况、围岩活动规律、围岩变形规律和支护体系实际承受的载荷之间的关系，为深部高应力软岩巷道采用更为合理的控制技术提供宝贵的现场实测资料，采用十字布点法在巷道内建立5个观测站，对巷道表面位移监测，主要包括巷道顶底板移近量、两帮移近量、顶底板移近速度、两帮移近速度观测。以2号、3号测站数据对矿压观测结果进行分析（图6、图7）。

（1）2#测站观测结果分析。

由图6可见，2#测站巷道变形相对较大，顶底板和两帮变形均在2个月后趋于稳定，两帮和顶底板最大移近量分别为160mm和55mm。

图6 2#测站巷道围岩表面位移量观测结果

（2）3#测站观测结果分析。

如图7所示，采用耦合支护方案后，3#测站巷道顶底板变形1个月内就趋于稳定，顶底板平均变形速率约0.67mm/d，而两帮变形量相对较大，2个月后才趋于稳定，期间两帮平均变形速率约1.1mm/d，从效果来看，巷道顶板有略微下沉，无明显底鼓现象。

5 结论

（1）数值模拟结果可知：巷道顶板出现明显的应力降低区，巷道顶板破坏比较严重，同时，巷道底板由于在两帮垂直应力作用下，巷道底板向巷道内移动，巷道底臌比较严重。

（2）结合巷道的实际条件，首先采用锚杆支护形成承载结构，加固浅部破裂围岩，改善围岩力学性能，提高其残余强度。在此基础上，针对支护承载结构存在的薄弱部位，采用锚索补强支护，一方面将一次锚杆支护形成的承载圈锚固至深部稳定岩体，形成更厚、更强的承载圈，通过矿压观测结果可知：巷道支护效果良好，有效控制了巷道变形。

图7 3#测站巷道围岩表面位移量观测结果