劉 永

山東省新汶礦業(yè)集團(tuán)水簾洞煤礦，陜西 咸陽 712000

協(xié)莊煤礦圍巖從-550m水平向下開始逐漸表現(xiàn)出深部軟巖的特點(diǎn)，到-850m水平后，深部軟巖特征更為明顯。隨著開采深度的增加，深部圍巖除一部分本身強(qiáng)度低呈現(xiàn)軟巖特性外，部分堅(jiān)硬巖石也呈現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象，且流變趨勢(shì)增強(qiáng)，表現(xiàn)為巷道的礦壓顯現(xiàn)明顯，常規(guī)的支護(hù)工藝難以有效地維護(hù)大流變圍巖[1-3]。

深井圍巖條件下地應(yīng)力呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)，而且構(gòu)造應(yīng)力不斷增加，再加上工作面開采動(dòng)壓的影響，三種應(yīng)力相互疊加導(dǎo)致深部巷道掘進(jìn)及支護(hù)更加困難，巷道變形速度快，變形量大[4]。

尤其礦井進(jìn)入-850m水平開采后，巖石松軟、破碎，巷道頂板冒落、漿皮開裂，受采動(dòng)影響變形量加大，特別是底鼓量大，多次臥底后，兩幫圍巖形成流變、松動(dòng)，兩幫錨桿失效，發(fā)生位移，進(jìn)而造成整體變形。巷道支護(hù)越來越困難,巷道失修率較高。

深部巷道圍巖呈現(xiàn)出軟巖變形特征，兩幫及頂?shù)装遄冃瘟看?，變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，頂板離層嚴(yán)重等現(xiàn)象，原有的支護(hù)技術(shù)、支護(hù)材料、施工工藝等已不能滿足生產(chǎn)的要求，需要重復(fù)翻修，給安全開采帶來不利影響[5]。

深部巷道長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)常造成前掘后修，而且后期維修工作量極大，經(jīng)濟(jì)效益受到極大的影響，特別是在破碎帶及集中應(yīng)力區(qū)等困難條件下，深部軟巖巷道錨桿支護(hù)面臨較多的技術(shù)問題。現(xiàn)有的巷道支護(hù)技術(shù)已不能滿足生產(chǎn)需要，為此急需研究與之相適應(yīng)的巷道支護(hù)技術(shù)，以解決深部軟巖巷道支護(hù)問題。

1 主要研究（試驗(yàn)）內(nèi)容

（1）找出非均質(zhì)高應(yīng)力軟巖巷道失穩(wěn)原因、破壞特征及對(duì)力學(xué)演化機(jī)制進(jìn)行分析；

（2）圍巖穩(wěn)定性分類；

（3）對(duì)一次二次支護(hù)重新進(jìn)行合理支護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)（如錨桿結(jié)構(gòu)及形式、錨固方式）進(jìn)行優(yōu)選，確定二次支護(hù)與一次支護(hù)的最佳的配合方式以及最佳支護(hù)時(shí)間；

（4）對(duì)巷道斷面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；基于礦壓觀測(cè)完善設(shè)計(jì)。

2 非均質(zhì)高應(yīng)力軟巖巷道失穩(wěn)原因及支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 -850西大巷生產(chǎn)地質(zhì)條件及支護(hù)現(xiàn)狀

-850西大巷埋深約1030m，布置在十一層煤的頂板砂質(zhì)頁巖中，砂質(zhì)頁巖為深灰色，性脆，局部破碎，厚度12.5m。巷道揭露巖層的硬度系數(shù)f=4～6。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，巷道周邊垂直應(yīng)力大約為1.5×2.5×1030=38.6 MPa，超過了圍巖強(qiáng)度，尤其是部分軟巖強(qiáng)度只有20 MPa左右，屬于大部分高應(yīng)力軟巖、小部分膨脹性軟巖巷道。底板軟、應(yīng)力大造成了平板形底板容易起鼓變形，進(jìn)而造成兩幫角收縮、拱頂受擠壓而開裂，甚至冒落。

圖1 -850西大巷支護(hù)斷面圖

支護(hù)狀態(tài)是：噴層基本完好、一次支護(hù)錨桿陷入圍巖5-8mm；噴層脫落、一次支護(hù)錨桿大部分失效；穿層部位兩幫和頂板出現(xiàn)片幫和冒頂，一次支護(hù)基本失效；二次支護(hù)的噴層局部開始開裂，部分二次支護(hù)錨桿失效。最終形成半徑2-3米的松動(dòng)圈，使兩次支護(hù)體基本失效。

2．《舊唐書》卷一九二《隱逸·盧鴻一傳》:“盧鴻一字浩然，本范陽人，徙家洛陽。少有學(xué)業(yè)，頗善籀篆楷隸，隱于嵩山。開元初，遣備禮再征不至。”(中華書局1975年版，第5119頁)

2.2 巷道失穩(wěn)原因

經(jīng)過巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，我們可以看出協(xié)莊煤礦-850水平一采石門及水倉的圍巖屬于工程軟巖的范圍，因?yàn)槠鋰鷰r中的主要軟巖，如粉砂巖、砂質(zhì)頁巖、頁巖在自然狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度為：45.0MPa、31.26MPa、26.46Mpa和45.24 MPa、32.82 MPa、25.13 Mpa，除了頁巖外其它巖樣強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于地質(zhì)軟巖的范圍。加之第一次噴層與軟巖不能緊密結(jié)合，容易分離脫落。凝固后脆性大，容易開裂。一次支護(hù)托盤太小，強(qiáng)度不夠，不能有效護(hù)住巖幫；端錨不能鎖緊圍巖。金屬網(wǎng)網(wǎng)孔偏大，托盤太小，與錨網(wǎng)不能有效配合實(shí)現(xiàn)共同發(fā)揮支護(hù)作用。二次支護(hù)托盤太小，不能讓高強(qiáng)錨桿發(fā)揮500鋼的強(qiáng)度，失去了高強(qiáng)錨桿的作用，導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重。

軟巖工程變形、破壞和失穩(wěn)的原因是多方面的，根據(jù)理論分析和大量的工程實(shí)踐，將軟巖的變形力學(xué)機(jī)制可歸納為3大類，即物化膨脹型、應(yīng)力擴(kuò)容型和結(jié)構(gòu)變形型[6-7]。軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制通常是3種變形力學(xué)機(jī)制的復(fù)合類型，根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果以及上述對(duì)工程軟巖的分析，本巷道圍巖的變形機(jī)制以塑性擴(kuò)容為主，物化膨脹以及結(jié)構(gòu)變形的影響相對(duì)較小。但是3種力學(xué)機(jī)制產(chǎn)生巷道變形量以及相互直接的影響關(guān)系還需要進(jìn)一步分析。

2.3 圍巖變形控制方案

支護(hù)原則是根據(jù)不同的軟巖性質(zhì)以及變形的力學(xué)機(jī)制采取相對(duì)應(yīng)的支護(hù)方法[8]，對(duì)于以塑性擴(kuò)容為主的軟巖的巷道最為有效的加固方式就是對(duì)塑性區(qū)進(jìn)行注漿加固，以控制其塑性變形。

2.3.1 總體方案

（1）拱形底板可以有效改善底板圍巖穩(wěn)定性，有利于控制巷道變形，尤其是控制膨脹性軟巖底板變形；

（2）改平底巷道（礦上目前使用的巷道）為拱形底板巷道并對(duì)底板進(jìn)行錨注加固處理；

（3）底板加固之后，造成巷道周圍應(yīng)力重新分布，其表現(xiàn)形式巷道兩幫和頂板變形量增大。因此，巷道支護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，底板加固處理在一定程度上影響頂板和兩幫支護(hù)效果；

（4）在成功控制底鼓后，兩幫變形成為深部高應(yīng)力軟巖巷道控制重點(diǎn)[9]，尤其是在巖層破碎地段，如斷層破碎帶等。因此，為保證較好的支護(hù)效果，應(yīng)加長(zhǎng)二次支護(hù)錨桿的長(zhǎng)度，增大錨桿直徑，加大托盤直徑，必要時(shí)對(duì)巷道頂板和兩幫采取注漿加固處理，采用錨索聯(lián)合支護(hù)等。

此段巷道已經(jīng)進(jìn)行了二次支護(hù)，所以只需進(jìn)行錨注支護(hù)，其工藝流程為：首先開挖巷道，開挖成圓弧形底板；然后清理巷道，為打孔做準(zhǔn)備；在布置完鉆孔后裝入注漿錨桿或者加強(qiáng)筋，然后封孔，同時(shí)進(jìn)行注漿材料的準(zhǔn)備；在封孔完成后馬上進(jìn)行注漿；注漿完成后清理巷道，在需要的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行底板錨索桁架支護(hù)；最后噴層完成施工。

本方案采取與-850西大巷試驗(yàn)段相同的底板錨注工藝，頂板和兩幫的錨注采取普通的注漿錨桿進(jìn)行錨注加固，而底板和底角則采用L2000×Φ22mm螺紋鋼加強(qiáng)筋+1000mm塑料管封孔器+注漿的新工藝。

2.3.2 施工方案

（1）全斷面注漿

根據(jù)注漿材料的擴(kuò)散半徑以及圍巖的破裂程度，確定底板注漿孔的間距為1-1.5m，兩幫和頂板注漿孔間距為1.2m，排距均為2m。為了加強(qiáng)支護(hù)效果，底板注漿孔采用交差布置，既相鄰斷面采取布置不同的布置方式，具體布置方式如圖3所示：

圖2 全斷面注漿孔布置斷面圖

圖3 全斷面注漿孔布置斷面圖

（2）底板和兩底腳錨注

采用L2000×Φ22mm螺紋鋼作為加強(qiáng)筋，需要采用專門的底板錨桿機(jī)進(jìn)行鉆孔，鉆孔直徑32mm-35mm。在每個(gè)斷面內(nèi)布置4～5組鉆孔，每斷面間隔2m左右，其具體布置情況如圖4所示。

圖4 底板注漿孔布置圖

（3）注漿材料

采用水泥單液漿，水泥強(qiáng)度等級(jí)52.5的高強(qiáng)水泥，或者強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?2.5水泥。水灰比0.5，注漿時(shí)應(yīng)摻和UNF4型復(fù)合早強(qiáng)減水劑，其用量為水泥重量的2%。采用常規(guī)注漿泵，注漿壓力大于2MPa。

在第一次錨注加固施工完成后，加強(qiáng)礦壓觀測(cè)，通過監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)前期的支護(hù)效果，若巷道變形達(dá)到加強(qiáng)支護(hù)預(yù)期的效果，則繼續(xù)使用此方法進(jìn)行加固；若通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)巷道變形未達(dá)到加強(qiáng)支護(hù)預(yù)期的效果則需要進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有的支護(hù)方式和支護(hù)材料。

2.3.3 礦壓觀測(cè)評(píng)價(jià)

在2009年8月底板錨注加固工程施工完成后，在煤層底板巷道注漿段與未注漿段相比底板變形量由原來平均4mm變?yōu)?mm，而兩幫變形量由10.5mm降到7.5mm。

與之相似的，在底板為砂質(zhì)頁巖的巷道內(nèi)兩幫的平均變形量由18mm下降到5.5mm，底鼓變形量則有8.5mm下降到7.5mm。

由于礦壓觀測(cè)的時(shí)間較短，-850m西大巷還未受到上面2203工作面跨采的影響，其巷道變形并不顯著，底板變形量較小，底板錨注加固的效果不是很明顯，但隨著2203工作面的推進(jìn)，巷道受動(dòng)壓影響后，注漿加固的效果將會(huì)非常明顯。

另外底板錨注后，兩幫的位移量明顯較少，證明了軟巖巷道支護(hù)中“控頂必先控底”的支護(hù)原則。

3 小結(jié)

（1）通過對(duì)巷道軟巖物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試、分析以及圍巖應(yīng)力研究找出協(xié)莊煤礦-850西大巷非均質(zhì)高應(yīng)力軟巖巷道的變形機(jī)制以塑性擴(kuò)容為主，物化膨脹以及結(jié)構(gòu)變形的影響相對(duì)較小；以塑性擴(kuò)容為主的軟巖的巷道最為有效的加固方式就是對(duì)塑性區(qū)進(jìn)行注漿加固，以控制其塑性變形。

（2）進(jìn)行了加固支護(hù)試驗(yàn)，同步進(jìn)行礦壓觀測(cè)，施工結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。研究成果可以為相似工程的深井軟巖支護(hù)提供借鑒。

[1]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[2]侯朝炯，勾攀峰.巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化機(jī)理研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000(3).

[3]何滿朝.煤礦力學(xué)軟巖變形機(jī)制與支護(hù)對(duì)策[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1997，(2)：12-16.

[4]王連國，李明遠(yuǎn)，王學(xué)知.深部高應(yīng)力極軟巖巷道錨注支護(hù)技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005， 24(16)：2889-2893.

[5]吳和平，陳建宏，張濤等.高應(yīng)力軟巖巷道變形破壞機(jī)理與控制對(duì)策研究[J].金屬礦山，2007，(9)： 50-54.

[6]孫曉明，何滿潮，楊曉杰.深部軟巖巷道錨網(wǎng)索耦合支護(hù)非線性設(shè)計(jì)方法研究[J].巖土力學(xué)， 2006， 27(7)：1061-1065.

[7]靖洪文, 李元海, 許國安. 深埋巷道圍巖穩(wěn)定性分析與控制技術(shù)研究[J]. 巖土力學(xué),2005, 26(6): 877－881.

[8]李希勇，孫慶國，胡兆鋒.深井高應(yīng)力巖石巷道支護(hù)研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2002，30(2)：12-13

[9]許興亮, 張農(nóng), 徐基根等. 高地應(yīng)力破碎軟巖巷道過 程控制原理與實(shí)踐[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào), 2007, 24(1): 51－56.