软岩巷道围岩破裂特征及注浆支护研究

软岩巷道围岩破裂特征及注浆支护研究

孟庆飞

平顶山天安煤业股份有限公司十一矿 河南省平顶山市 467000

摘要：在我国快速发展过程中，市场经济在迅猛发展，社会在不断进步，针对深部破碎软岩巷道围岩稳定性控制难题，以平煤十一矿己二-880车场巷道为研究对象，采用现场调研、数值模拟、井下试验及现场观测等方法分析围岩变形破坏特征，揭示其破坏机制，针对性地提出了以高强锚杆密集支护、新型喷层结构护表、滞后注浆加固为主体的多层次锚喷网注联合支护系统，详细阐明了具体支护措施的围岩控制机制，并用数值方法分析了锚杆间距、喷层厚度对于围岩应力场和位移场的影响规律。研究表明：（1）随着锚杆间距减小（0.9m→0.6m），锚杆承压拱和喷层结构的承载能力呈幂函数增长趋势，锚固区围岩压应力呈线性增长趋势，围岩变形量明显降低；（2）随着喷层厚度增大，喷层结构承载能力近似线性增长，锚固区围岩压应力亦呈增长趋势，各部位围岩位移量显著降低；（3）当喷层厚度达到200mm时，非锚固区内围岩大部分处于压应力状态，拉应力区大幅减少。基于上述研究，结合现场地质、生产条件确定试验巷道围岩支护方案，并进行现场应用。工程实践表明，多层次锚喷网注联合支护技术可有效控制深井破碎软岩巷道围岩大变形，实现深井巷道围岩的稳定性控制。

关键词：软岩巷道；高地应力；数值试验；变形破坏机制

引言

随着煤炭资源开采由浅部转向深部，巷道围岩力学环境日趋复杂，深部高应力软岩巷道呈现围岩大范围破坏、大变形等一系列工程响应。理论及实践均已证明，巷道围岩塑性区的形态与范围不仅是影响巷道稳定性的重要因素，也是巷道支护设计的重要依据。长期以来国内外学者对地下巷道围岩的弹塑性计算问题进行了深入研究，取得了很多有价值的成果。

1巷道稳定性的重要因素，也是巷道支护设计的重要依据。长期以来国内外学者对地下巷道围岩的弹塑性计算问题进行了深入研究，取得了很多有价值的成果。

2软岩巷道围岩破裂特征及注浆支护研究

2.1巷道围岩稳定控制技术

在该矿区极软岩巷道矿压显现规律和变形破坏失稳机理分析的基础上，并结合对主要巷道围岩松动圈厚度值的测定，提出了初期柔性“固”、中期高应力“卸”、后期高刚度高强度“抗”的刚柔耦合动态支护技术。具体为:初期采用锚索、锚杆、金属网、喷射混凝土和钢筋梯子梁组成锚网喷梯主动支护结构，加固与完善巷道围岩力学性能，充分保证围岩的完整性，发挥围岩的自承载能力;在初期对巷道围岩物理与力学特性“固”后，预留围岩收敛变形量，允许围岩产生一定的变形，使围岩中的高应力向深部转移，从而实现让压，避免高应力导致围岩的弱化与支护结构的失稳;最后，考虑该矿区巷道围岩变形具有明显时效性特点，一味的让只会加剧围岩的进一步破碎，使围岩进一步失去自承能力，故等高应力“卸”到一定程度时，通过全断面的高强度、高刚度的钢筋混凝土壳体结构给围岩提供高阻力，强“抗”其变形。通过初期对围岩自承能力的提高、预留变形量对高应力的“卸”除和后期全断面高强度、高刚度钢筋混凝土壳体对围岩流变的强“抗”，实现该矿区极软岩大变形巷道一定时期或长期保持稳定。

2.2巷道围岩破坏机理

由上述塑性区恶性扩展过程及现场调查情况，可得出己二-880车场巷道严重支护失效的原因有以下4个方面:(1)应力水平高且应力场极不均衡。巷道围岩的高偏应力是导致巷道围岩塑性区进入恶性扩展阶段且围岩发生大变形的主要原因。依据该延伸段巷道最大埋深－850m计算可得垂直地应力超过20MPa;平均水平应力最大可达40MPa(100/H+0.3≤σh，av/σz≤1500/H+0.5，σh，av为平均水平应力;σz为铅直应力)。这表明巷道处于高偏应力环境中。在如此的高偏应力环境中，巷道围岩塑性区容易扩展、支护结构破坏严重，最终塑性区的扩展将失去控制，巷道将逐步失稳。(2)原支护方案针对性差。原支护方案采用的“锚梁网喷”支护形式，该支护形式用于控制高应力软岩巷道有着很多不足。首先，支护强度不够，“锚梁网喷”支护结构提供的支护阻力十分有限，不足以抵抗该环境中的高应力。由上述分析可知，原支护方案对塑性区的不具有针对性，对率先畸变的局部区域没有重点加强支护，因而，对围岩塑性区发展的限制作用十分有限，从而导致其在采动和构造应力作用下恶性扩展。(3)巷道围岩岩性差。－850m东大巷延伸段围岩内节理裂隙发育，随着裸露时间延长，节理裂隙被侵蚀严重，有X衍射图谱分析可知围岩内部含有膨胀矿物的黏土，此类岩体遇水膨胀，整体强度表现的极低，在高应力作用下，塑性区极易形成。(4)构造应力的影响。该段岩层内部存在的地质构造有断层，构造应力加剧了巷道围岩应力场的不均衡。

2.3深井破碎软岩巷道围岩控制对策

根据对己二-880车场巷道围岩变形破坏特征、失稳机制的分析，结合相关理论及工程实践，确定己二-880车场巷道围岩控制对策如下：开掘初期及时进行高强支护，形成一定强度和刚度的承载结构，提高围岩承载能力，限制初期大变形；待释放一定变形压力后，采取二次支护，抑制围岩永久变形，实现巷道长期稳定；改善喷层结构力学性能，增强其对浅部碎胀变形的抵抗力；此外，还应采取围岩强度强化措施，提高破碎围岩整体强度，并对底板进行有效支护，提高围岩支护结构的整体稳定性。依据上述支护对策，采用多层次锚喷网注联合支护体系进行巷道修复。首先，通过高预应力强锚杆多层次交错密集支护，在锚固区形成高应力承压拱结构，提高锚固区域内围岩强度，并限制深部围岩变形；其次，通过多层次喷射混凝土、挂钢筋网形成高强喷层结构，提高承压拱结构完整性，实现高预应力均匀扩散，强化锚杆承载结构性能；最后，多次注浆加固技术提高破碎围岩整体性和强度，实现锚杆全长锚固，扩大锚杆作用范围。

2.4支护对策

“锚注”支护技术作为煤矿巷道支护的一次突破，为软弱破碎巷道的治理提供了一个新的有力手段。我国许多学者对“锚注”支护机制及应用进行了深入的研究，通过对破裂岩块进行注浆加固，发现泥岩、煤、粉砂岩的单轴抗压强度可提高40%以上，其中粉砂岩的C，φ值可分别提高50%以上。通过对注浆后砂岩和泥岩结构面的参数测试发现，注浆后砂岩、泥岩结构面的C值分别提高了3.12倍和22倍。对破裂岩样进行了承压注浆加固试验，发现破裂岩样注浆后强度与破裂岩体残余强度相比有较大的提高。通过对岩石试件峰后注浆加固前后强度对比发现，注浆加固后试件的强度比注浆前的残余强度提高了0.7~2.0倍，在现场试验中发现注浆后能及时有效填充围岩裂隙，将已经破碎的岩体重新胶结在一起，起到抑制围岩裂隙向深部发展及顶板淋水渗入围岩内部的重要作用，取得了良好的研究成果。

结语

在对某深部矿井典型极软岩大变形巷道矿压显现规律和特点长期矿压监测结果和围岩成分和力学参数测试的基础上，分析并揭示了巷道围岩失稳机理。结合巷道围岩松动圈厚度值测试结果，提出了初期柔性锚网喷梯主动支护对围岩“固”、中期预留变形量对高应力“卸”、后期及时实施高强度与高刚度支护结构对软岩流变进行强“抗”的刚柔耦合动态加固技术。通过该矿区典型破坏巷道集中胶带巷工业性试验，虽然该支护技术存在支护成本高、施工速度慢的不足，但是对深埋极软岩巷道大变形的控制是有效的，为深部极软岩巷道稳定控制提供了一项新的支护技术。

参考文献

［1］何满朝，谢和平，彭苏萍，等．深部开采岩体力学研究［J］．岩石力学与工程学报，2005，24(16):2803－2813．

［2］周宏伟，谢和平，左建平．深部高地应力下岩石力学行为研究进展［J］．力学进展，2005，35(1):191－199．