陶二煤矿深部大断面软岩巷道支护技术改革

丁其全

（冀中能源邯郸矿业集团金地公司，河北省邯郸市，056002）

邯郸矿业集团陶二煤矿二水平-711北翼运输大巷掘进过程中围岩变形非常剧烈，顶板和两帮遭受破坏，巷道底臌现象严重，虽经翻修，仍不能完全控制巷道围岩变形，大多数巷道前面掘进后面翻修，严重影响了巷道的掘进速度和矿井的安全生产。为从根本上解决-711 北翼运输大巷支护问题，必须对巷道支护方式及相关施工工艺进行研究，探索出一套合理的支护方式及支护参数。

1 巷道地质条件及原有支护方式

-711北翼运输大巷赋存于1＃煤层上方顶板岩石中，距1＃煤层垂距为25m，巷道赋存区域基本为泥质类岩石结构，节理比较发育，易发生碎涨变形，巷道整体稳定性比较差。大巷断面尺寸5.2m×4.0m （宽×高），半圆拱形，支护采用锚网梁-喷-锚索支护，选用ø22mm×2400mm 的高强螺纹钢锚杆，杆体屈服强度为335MPa，杆体破断力为210kN，顶部使用由ø14 mm 圆钢制作的4.4m梯子梁，帮部使用由ø12mm 圆钢制作的1.6m 梯子梁，顶板挂1250mm×950mm 盘条网支护，锚杆间排距为800mm×800mm。顶部配合锚索补强支护，选用ø17.8mm×8000mm 的钢绞线锚索，配合一块400mm×400 mm 的大托盘和一块130 mm×130 mm 的小托盘支护，顺巷道3列布置，间排距1600mm×1600mm。

喷射混凝土厚度120mm，混凝土强度等级为C20。初喷30～50mm，复喷后达到设计要求。

2 现有支护评价

2.1 现场观测现象

在所观察范围内，尽管巷道的变形很大，但很少发现锚杆破断现象，说明锚杆支护系统设计不尽合理，没有达到有效控制顶板变形的目的。

（1）托盘选用不合理，400mm×400mm 的大托盘容易出现翘角现象，造成托盘受力面积较小，同时出现部分锁具穿过托盘现象。

（2）巷道底臌严重，巷道腰线以下位置变形大，导致喷浆层开裂、脱落。巷道顶板形状由半圆拱形变成近三角形，顶部喷浆层开裂、脱落。

（3）巷道经过两次修复，所使用的支护材料、强度及长度没有很大变化，这导致第二次修复巷道支护的控制范围并没有超过第一次支护材料控制围岩的范围，两次支护的受力在一个平面上，对巷道围岩的控制起不到应有的作用。

（4）巷道修复严重影响了施工进度，提高了生产成本，增加了施工中的不安全因素，影响了经济效益。

为了改进巷道目前的支护状况，首先必须保证锚杆、锚索支护系统能充分受力发挥作用，其次是选择合理的注浆措施，保证巷道的长期稳定。

2.2 初次支护形式评价

在短时间内巷道围岩会发生剧烈变形，顶板破坏，两帮移近量大，底臌严重，围岩在各个方向都产生了较大的松散破碎圈。然而在围岩变形破坏过程中，锚杆支护系统受力增加不明显，这说明锚杆支护系统根本没起到有效的支护作用。

锚索托盘采用一块400 mm×400 mm 的大托盘配合一块130 mm×130 mm 的小托盘的形式，由于托盘设计不合理以及缺少相对应的球型垫圈等配件，在锚索受力较大时出现锁具损坏托盘现象。

由于岩巷成形不太好，且所采用的焊接钢筋网孔径比较大，出现部分锚杆托盘悬空现象，钢筋网贴顶不密实，这样围岩一旦发生碎涨，就出现 “网兜”或锚杆托盘被 “拉入”的现象，从而造成锚杆支护系统失效。现场所采用的托盘面积偏小。

软岩巷道易出现底臌现象，原施工巷道对基础的处理强度不够。

3 -711北翼运输大巷支护系统有限元分析

根据-711北翼运输大巷岩石力学参数测试，建立有限元模型。根据围岩变形的3个阶段，初步分析了围岩应力和变形。

3.1 初始阶段

初始阶段即巷道开挖后和支护前这一阶段，应力和变形在巷道围岩中形成一个环状的高应力圈。根据应力分布计算出的围岩安全系数如图1所示，可以看出，初始阶段的松散流动圈的范围 （安全系数小于1.2）顶板1.9 m，两帮2.2 m，底板2.4m。支护体的范围应该为安全系数大于1.2，顶板和帮锚杆长度应在2.8m 以上。

之后发生两帮和顶底板移近，这一阶段延续不长。在合理支护系统的支护下，围岩应该在短时间内稳定下来。然而，如果没有支护或支护不合理，围岩变形将进入第二阶段——松散流动圈向内部扩展。

图1 安全系数分布

3.2 松散破碎圈扩展

巷道开挖后，围岩内部形成一个松散流动圈。随着时间的增加，在无支护或支护不合理的条件下，松散流动圈将向深部扩展直到应力达到新的平衡。这时，两帮侧的松散区达到9m，所以一旦松散区扩散，很难维修。

图2 安全系数分布图

3.3 流变阶段

由于泥岩中的高泥质 （含有膨胀性矿物成分），特别是在含水或空气湿度影响条件下，巷道会发生明显的流变现象，从而进一步扩大松动圈半径，增加围岩的变形量。图2是流变变形后的安全系数分布图。较深区域是松散圈的范围 （松动圈的范围进一步扩大到11 m）。可以看出，如果支护不合理，等到松散流动圈形成并发生扩展和流变扩展后，再进行维修是相当困难的。正确的支护方式应该是初期选用合理的支护系统，把松散流动圈控制在最小的范围内。

4 -711北翼运输大巷支护系统设计

结合现场观测及有限元分析及现场施工条件，选择锚杆长度2.8 m，直径20 mm，材质为HB600高强钢作为锚杆的杆体，杆体破断力为260kN，间排距700mm。对泥岩等流变性围岩应保证有足够的安装应力。根据经验和有限元分析，锚杆的安装应力为60kN，根据现场实验，锚杆安装预紧力矩保持在400N·m，以保证初始松散流动区不进一步扩散。

由于巷道的部分变形，在锚杆长度和安装应力合适的条件下，锚杆支护系统将发挥其应有的作用并承受围岩的变形载荷。然而，围岩变形有一部分是不可控制的，所以锚杆系统必须有控制让压能力。根据所选用的锚杆强度，控制让压力为120～150kN。每套锚杆采用2 卷树脂，其锚固长度要达到1.0m 以上，锚固力大于250kN，托盘规格为200 mm×200 mm×10mm，采用钢筋直径为6mm、网格尺寸为80mm×80mm 的焊接金属网控制围岩表面。巷道掘进后及时喷射50 mm 厚混凝土封闭围岩，等巷道变形稳定后再进行复喷至设计厚度。

为提高巷道的服务年限，适应地质条件的变化，采用快装 “鸟窝”让压锚索作为辅助支护。顶板锚索长度为8m，锚索直径为20mm，顶锚索间排距1.4m×1.4m，帮部锚索长度为4.2m，锚索直径为17.8 mm，采用300 mm×300 mm×12mm的高强球型托盘，帮锚索间排距1.0 m×1.4m，另外在两帮底角处各加一根帮锚索，以控制底角变形，距离底板350mm 左右，倾角25°。

为提高围岩的整体性和巷道的长期稳定性，对围岩进行注浆加固，浆液选择水泥-水玻璃混合浆液，顶、帮注浆孔深度为4m，间排距为1.6m×3.0m，底板注浆孔深度为8 m，间排距为2.5 m×3.0m，巷道滞后掘进头60m 进行注浆。

5 支护设计评价

对新支护设计进行了现场工业试验，同时进行了矿压观测，设测站两组，分别进行了顶底板移进量、两帮移近量观测。观测结果显示，两帮最大移近量为166mm，巷道稳定时间约25d，而原支护两帮最大移近量为682mm。现有支护方案顶底板最大移近量为210 mm，巷道稳定时间约为25d，原支护顶底板最大移近量为886mm。采用新方案后，巷道维护状况得到明显改善，各自的移近量分别占到原有移近量的1／3 左右，巷道自稳时间较短。

通过对巷道表面观察，混凝土喷浆表面没有明显开裂现象，没有断锚现象发生，通过对个别锚杆拉力监测，其最大值为182kN，达到设计锚固力的70%，尚有抵御巷道围岩应力空间，表明锚杆选用较为合理。

工业试验表明，新设计支护方案能够适应陶二煤矿深部高应力软岩巷道支护，各项参数均较为理想。

［1］ 侯朝炯，马念杰.煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区的探讨 ［J］.煤炭学报，1989 （4）

［2］ 魏高峰.滑移线在塑性变形中的应用 ［J］.山东轻工业学院学报，2000 （4）

［3］ 柏建彪，侯朝炯.深部巷道围岩控制原理与应用研究 ［J］.中国矿业大学学报，2006（2）

［4］ 康红普，王金华等.煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2007

［5］ 董方庭，姚玉煌，黄初等.井巷设计与施工 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2004

［6］ 国兆乾.锚注支护技术在复杂应力结构高流变巷道底板加固中的应用 ［J］.中国煤炭，2009 （5）

［7］ 曹增金.浅谈锚注支护技术在软岩动压巷道维修与加固中的应用 ［J］.矿业论坛，2011