深部軟巖巷道圍巖穩定控制技術研究及應用

李曉海

大同市焦煤礦有限責任公司 山西 大同 037000

焦煤礦軟巖回采巷道大變形問題，一直困擾著礦井健康發展。劈裂灌漿技術很好的解決了已經出現大變形或臨界變形巷道的加固問題，巷道變形得到了有效控制。但是，對于巷道開挖后出現的大變形，一直沒有較好的解決方法。為解決軟巖巷道開挖后的大變形問題，焦煤礦在8505運順進行極軟巖大變形控制技術的研究與試驗，采用柔性錨桿+恒阻錨索+馬蹄棚的聯合支護技術控制、延緩圍巖大變形[1]。

1 礦井地質條件

大同焦煤礦位于山西懷仁市何家堡鄉石井村，井田面積4.339km2，設計生產能力150萬噸/年，8505工作面主采5#煤，工作面設計可采長度1254m，面長336m，設計可采儲量 361.4萬t，傾斜長壁綜放開采?；仨橀L1310m，運順長1364m。支護試驗段位于8505 運順490～590m。依據三維地震資料及生產實見，該區域范圍內，運順掘進至 563m 進入DF5斷層上盤，DF5斷層產狀：258°∠55～65°H=1.7m。該斷層下盤伴有煤層變薄缺失帶。受斷層、煤層變薄缺失帶地質構造影響，施工中給頂板維護帶來一定困難。斷層及煤層變薄缺失帶在試驗段內影響范圍27m。試驗段煤層傾角3°，進入DF5斷層上盤后增大至5～8°。煤層總體賦存較穩定，結構變化不大。

2 大變形問題分析

軟巖回采巷道掘進期間的大變形主要與圍巖巖性有關。焦煤礦回采巷道圍巖屬于強膨脹性、節理化復合型軟巖。巷道圍巖中含有大量黏土性礦物，其中：煤樣的黏土性礦物含量 39.3%，煤層中的泥巖夾石黏土性礦物含量 40.9%，油頁巖中黏土性礦物含量39.5%。黏土性礦物自身強度低，具有強膨脹、顯著流變的特性。巷道開挖后，現有支護中的錨桿、錨索預緊力低，不能維持圍巖徑向應力平衡，圍巖中黏土性礦物產生顯著的碎脹、流變，像擠牙膏一樣連綿不斷的作用在圓棚或拱棚上。而圓棚、拱棚為剛性被動支護，其強度不足以抵抗圍巖的強流變、碎脹，產生局部應力集中，最終導致巷道變形破壞。

3 支護設計

3.1 現有支護

焦煤礦回采巷道現有支護形式為：Φ22mm×2400mm 螺紋鋼錨桿 +Φ28.6mm×5300mm鋼絞線錨索 + 護頂鋼筋網 + 幫部菱形網 +36U 型鋼圓棚 +木板 + 噴漿。

經實測，現有支護形式中，Φ22mm 螺紋鋼錨桿的擰緊扭矩不大于 400N·m （約為預緊力4.66t），Φ28.6m 鋼絞線錨索的預緊力 17.5t。過低的預緊力不足以抵抗軟巖的強膨脹、顯著流變的特性。以8505運順為例，滯后掘進工作面 40m處，圍巖即出現大變形，棚梁被壓彎、錨索隨頂板下沉、木板壓斷，支護體變形失效嚴重。

3.2 試驗段支護設計

3.2.1 巷道斷面形狀

試驗段設計巷道斷面為馬蹄形，主要目的是為以后試驗 110 工法做準備?，F有支護采用圓形巷道，由于圓形斷面在采用 110 工法時，切頂的切縫位置不容易確定，且液壓支架后方留巷段的擋矸裝置難以安裝，無法充分發揮擋矸作用。因此，將巷道斷面設計為直墻半圓拱形，以解決上述問題。為了防止底臌，在底部安裝了底梁，形成馬蹄形巷道斷面。

3.2.2 支護形式

結合現有支護特點，試驗段設計支護形式為：柔性錨桿+恒阻錨索+護頂鋼筋網+幫部菱形網+馬蹄棚+木板+外噴混凝土+鎖腿錨桿的聯合支護?，F有支護與試驗段新支護設計主要區別為：圓棚改變為馬蹄棚，螺紋鋼錨桿改變為柔性錨桿，普通錨索改變為恒阻錨索；其他基本與現有支護形式相同。具體支護材料及參數設計如下：

（1）恒阻錨索：由恒阻器、Φ21.8mm×7300mm鋼絞線、托盤和鎖具組成。NPR35-300-0.5 型恒阻器長 450mm，直徑 79mm，最大允許恒阻位移350mm。恒阻錨索設計預緊力 30t，恒阻力35t，設計錨固力 42t。設計恒阻錨索間、排距為 1600×1600mm，每排布置 3 根。每孔使用 1支 CKb/Z23120 型樹脂錨固劑錨固。錨索孔徑為Φ28mm，深 7000mm。恒阻器孔徑為 Φ95mm，深 500mm，錨索外露長度 300mm。托盤規格300×300×20mm，孔徑 100mm。

支護原理：恒阻器內設有恒阻體，當圍巖壓力超過恒阻力 35t，恒阻器與恒阻體之間產生滑動摩擦，即恒阻位移。對于軟巖巷道，高預緊力能夠及時補償三向應力平衡，控制幫頂下沉；恒阻變形功能能夠吸收圍巖變形能，從而起到控制、延緩幫頂圍巖變形的效果。

恒阻錨索施工工序：打錨索孔→擴恒阻器安裝孔→裝錨固劑、鋼絞線→充分攪拌錨固劑錨固錨索→等待 10min→安裝錨索托盤→安裝恒阻器→安裝鎖具→張拉施加預緊力（30t）。

柔性錨桿：由恒阻器、Φ15.2mm×2400mm 鋼絞線、托盤和螺母組成。MSGHS-260/15(RX)-2.4型恒阻器長 415mm，直徑 37mm，最大允許變形量300mm。柔性錨桿設計預緊力 12t，恒阻力 15t，設計錨固力 18t。柔性錨桿間、排距為 800×800mm，每排布置 12 根。每孔使用 2 支 CKb2370 型樹脂錨固劑錨固。桿體孔徑為 26mm，深 2300mm。恒阻器孔徑為45mm，深 450mm，柔性錨桿外露長度為 30～70mm。柔性錨桿支護原理與恒阻錨索基本同，可簡單理解為縮小版的恒阻錨索。

施工工序：打錨桿眼→擴恒阻器安裝孔→安裝柔性錨桿 （包括錨固劑、桿體、恒阻器、托盤、螺母）→使用錨桿鉆機充分攪拌錨固劑錨固→風動扳手擰緊螺母→等待 10min后→張拉施加預緊力。

4 效果分析

4.1 效果分析

2021年10月30日試驗段開始施工，至11月26日結束，共計施工100m，架設馬蹄棚125架，柔性錨桿29根，恒阻錨索304根。據現場觀測，試驗段起始位置，現有支護巷道圍巖下沉、煤體臌出，頂板圍巖最大下沉量達到0.6m；而試驗段巷道恒阻錨索對幫頂的控制效果明顯，圍巖未見明顯下沉、臌出，頂板圍巖最大下沉量 0.11m，對比現有支護下沉量減少 82%。試驗段結束位置，現有支護左上幫受煤層變薄缺失帶影響，滯后掘進工作面 30m 處，圍巖臌出、木板壓折、棚梁變形嚴重；而試驗段內巷道，雖然受煤層變薄缺失帶及DF5斷層等地質構造影響，但馬蹄棚未見明顯變形，尤其是左上幫的恒阻錨索對無煤帶油頁巖的碎脹、流變性控制效果明顯。

4.2 觀測對比

試驗段一共設置了10個監測斷面，每個監測斷面間距為20m，每個觀測站布置有錨索測力計，用于監測恒阻錨索受力情況。其中1#～5#斷面位于試驗段內，6#～10#斷面在試驗段后方。監測區域共 180m。

普通錨索初始受力11.6t，滯后掘進面17m 增加到40t，增幅 245%。恒阻錨索初始受力32.1t，滯后掘進面 17m 增加到 33.5t，增幅4.4%。同樣的滯后距離，二者比較，恒阻錨索受力增幅遠遠小于普通錨索。說明恒阻錨索高預緊力應力補償作用，提高了初次支護強度，能夠及時有效控制圍巖壓力增加。

恒阻錨索在滯后掘進面 40m、受力達到 34.7t時，受力值出現拐點，此時恒阻體在恒阻器內出現相對滑移，正在吸收圍巖變形的能量。隨著能量的吸收釋放，圍巖變形、碎脹能力逐漸減小，恒阻錨索受力值開始降低，恒阻體停止相對位移，圍巖變形量得到有效控制。而普通錨索在滯后掘進面 40m 時受力高達 45.3t，且受力值繼續上升，圍巖變形能一直在增加，圍巖變形量未得到到有效控制。在滯后掘進面 100m 時，試驗段巷道頂板最大下沉量110mm，而現有支護巷道頂板最大下沉量 600mm，試驗段巷道對比現有支護巷道頂板下沉量減少82%。

5 經濟效益分析

試驗段施工自2021年10月30日至年11月26日結束，共計27天。試驗段支護對比現有支護形式，每米巷道增加材料成本：13662元-11865元=1797元。該工作面運順44～185m，巷道現有支護變形嚴重，已不能滿足正常運輸及生產要求，被迫翻修。而試驗段支護完好、未見明顯變形。二者對比，節省翻修材料成本（11057-1797）×141=116.5萬元（巷道翻修成本11057元/m）。

6 結束語

焦煤礦8505運順“軟巖巷道大變形控制技術”試驗，經現場實踐，試驗段恒阻錨索支護效果明顯，實現了軟巖巷道開挖后大變形問題的有效控制。對比現有普通錨索支護，恒阻錨索預緊力提高 43%、最大受力下降 27%，頂板下沉量減少 82%。試驗段馬蹄棚未見明顯變形，而現有支護的圓棚被壓彎變形。恒阻錨索的高預緊力和恒阻變形功能起到了很好的支護效果，能夠及時補償應力、吸收圍巖變形能，減小圍巖變形量；對比普通錨索具有明顯的材料及結構力學優勢。但是，在試驗段施工中也暴露出柔性錨桿施工工序復雜、施工時間長、預緊力合格率低等問題，被迫將柔性錨桿改回螺紋鋼錨桿。試驗巷道由于缺少對幫部圍巖的高預緊力控制，巷幫收斂量大于頂板下沉量。