超千米深井高地应力软岩巷道底鼓机理及支护技术研究

  樊  磊   冯  媛

  （河南化工职业学院建筑工程系，河南省郑州市，450042）

  摘要针对磁西超千米深井高地应力软岩巷道底鼓量大、难支护的问题，采用理论分 析、数值模拟以及现场观测的方法分析了巷道围岩力学特征及形成底鼓的主要影响原因，提出了巷道围岩全断面U型钢支护和底板深浅部围岩锚杆（索）联合支护技术。现场实施效果表明总回风巷整体断面顶底板移近平均值为144 mm，移近平均速度为3.5 mm/d，两帮的移近平均值为124 mm，移近平均速度为3.1 mm/d，高地应力软岩巷道底鼓得到了有效控制。

    关键词  超千米深井  高地应力  软岩巷道巷道底鼓巷道联合支护  数值模拟

    中图分类号  TD353    

    针对煤炭深部开采巷道围岩控制机理与支护技术研究，国内学者做了大量工作，取得长足发展。但由于高地应力软岩巷道围岩性质与地质环境高度复杂的特点又决定了巷道围岩控制支护技术的不可复制性，而必须根据工程现场实际地质情况，制定经济可行的围岩控制方案。为此，笔者通过理论分析、数值模拟以及现场工程实践手段相结合，研究了磁西超千米深井高地应力软岩巷道底鼓主要原因，并提出了可行的治理方案，有效控制了巷道底鼓。

1  工程背景

    峰峰矿区磁西矿2 #煤层为主采煤层，属于缓倾斜煤层，煤层厚度1. 50～7.88 m，平均为4. 52 m，最大埋深达1200 m，属较稳定的全区可采煤层。煤层总体构造形态为一倾向南东，倾角120~160左右的单斜构造，个别地段倾角达220，次级褶曲发育。全区以断裂构造为主，断层走向以北北东～北东向为主，全部为正断层。其中对2 #煤层开采威胁较大的含水层为大青灰含水层(Ⅱ)。该含水层岩性主要为深灰、青灰色石灰岩，埋深852. 3～1081.2 m，厚度约5.5 m，裂隙发育。磁西矿总回风大巷布置在2#煤层内，煤层平均倾角为20。巷道沿2#煤层底板掘进，巷道顶板以砂质泥岩为主，易冒落，底板主要由粉砂岩和铝质泥岩组成，强度较低，松散破碎，遇水极易膨胀、软化。

    总回风大巷断面为直墙半圆拱型断面，尺寸为4500 mm×3650 mm（宽×高），初始支护顶板与两帮采用c)18 mm×2000 mm的左旋螺纹钢锚杆和018.9 mm×4500 mm的锚索进行支护，锚杆间排距为750 mm×750 mm，锚索间排距为2400 mm×2400 mm，底板未经支护。现场实际测量情况显示，巷道水平应力明显大于垂直应力，侧压系数普遍达到1.2。按照巷道上覆岩层垂直应力理论值30 M Pa计算，水平应力高达36 M Pa，巷道顶板与两帮破碎严重，底鼓较大，支护效果极为不理想，因此，需对巷道围岩控制机理进行分析，优化支护形式，提出较为可行的技术方案。

2巷道底鼓力学特征分析

2.1  建立数值计算模型

    采用FLAC3D数值模拟软件对磁西矿总回风大巷无支护条件下进行模拟，分析巷道围岩应力分布、破坏形式以及底鼓成因的过程。结合矿井地质资料，建立巷道数值分析模型，模型尺寸为80 m×60 m×60 m，采用莫尔一库仑(Mohr-C o u-L o m b)经典弹塑性模型进行分析，侧压系数限定为1.2，模型底部边界设定为垂直方向固定，侧向左右边界设定为水平方向固定，岩石物理力学参数见表1。

2.2数值模拟结果分析

    模拟结果表明总回风大巷在无支护状态下，浅部围岩应力降低区与塑性区域较明显；顶板只在两侧较小区域内出现应力降低区，相比较顶板而言，巷道底板应力降低区与塑性区不断向深部扩散，面积也在不断增大；在巷道两帮腰线及顶板中线处出现明显应力集中现象，并沿着顶板围岩不断向垂向延伸，应力集中系数最大可达2.1，这是造成总回风大巷两帮片帮与冒顶较为严重的直接原因；巷道顶板出现斜向上方的剪切破碎带，破坏范围在2.5～4 m之间，底板沿中心线处出现较大深度拉伸破坏，并向两端扩散，与此同时巷道两帮角一定区域内的岩体出现了挤压剪切状态。

    数值模拟中发现，巷道位移较大变形区域均出现在顶底板，其中，顶板最大位移量为390 mm，底板最大位移量为900 mm，底鼓极为严重。

2.3  巷道底鼓原因分析

    结合矿井地质资料和数值模拟分析结果可以得知造成总回风大巷围岩变形严重、底鼓较大的原因主要有自然因素和人为因素。

    自然因素主要是由巷道自身围岩特性和埋深较大地应力过高两个因素组成。总回风大巷沿2#煤层底板掘进，大巷处在煤层内部，由于煤层内部节理，裂隙发育，抗压强度较低，围岩极易造成变形破坏；巷道底板主要以铝质泥岩为主，含有蒙脱石、伊利石等，遇水强度明显软化，特别是在巷道埋深较大、地应力较高作用下，膨胀更为明显。

    人为因素主要包括巷道初次支护结构不合理与二次开采扰动的影响。总回风大巷初次支护参数主要是采用工程类比法确定的，显然常规支护形式已很难再适用；在巷道地应力过高情况下，锚杆锚固力较小或无锚固在稳定岩层内，无法与锚索组合成有效联合支撑结构体，造成顶板与两帮应力显现明显，位移量增大。加上巷道底板未经支护，形成了控制围岩变形薄弱区域，这就为应力释放提供较大的自由面，容易发生底板拉伸破坏变形。底板变形破碎又将会影响巷道顶板与两帮的稳定，最终造成巷道围岩整体失稳性破坏；由于巷道所处位置较为特殊，在其周围进行工作面开采、硐室开挖以及车场整修等工程同样会造成巷道围岩的二次破坏。

3  高地应力软岩巷道底鼓控制技术

    根据巷道底鼓机理分析，对原支护参数进行修正，决定对总回风大巷采取全断面U型钢支护和底板深浅部围岩锚杆（索）联合支护技术，该支护形式能够实现支护结构中的各个支护构件相互作用，能够与围岩形成应力耦合，实现支护一体化及载荷均匀化设计。其断面设计见图1。

    (1)巷道顶板与两帮锚杆长度由初次支护的2000 mm增到2400 mm，锚杆直径不变，间距由原来的750 mm修改为600 mm;锚索直径不变，长度由原来的4500 m增加到7200 mm，间距改为800 mm，排距保持不变；底板采用与顶板相同规格锚杆，并增加锚索支护，锚索规格为18.9 mm×8000 mm。参数优化后，保证锚杆（索）深入锚固在稳定岩层内，有利于锚索短时间内与原岩形成应力耦合。

    (2)巷道底板先期开挖300 m深的基坑，之后断面实施U型钢支护，最终采用C30高效混凝土进行回填基坑。该技术最大特征是能够在短时间内实现支护介质与围岩结构耦合一体化，使得全断面支护更加合理，有效减弱巷道帮角应力集中现象。

    (3)采用DZQ-100型底板锚索钻机进行底板锚索打孔，直接打到设计深度，如发现塌孔或不成孔，下放一根12.7 mm注浆管，进行预注浆，然后再打至成孔。放入锚索后进行注浆，水泥浆液水灰比为0.6：1，用软质材料堵塞锚索孔，防止杂物落人孔中，3d后水泥浆液凝同，安装规格为150 mm×150 mm×20 mm锰钢托盘，要求张拉应力不小于120 k N;施工完毕后，利用液压钳剪去多余锚索。

4  工程应用效果

4.1  井下监测结果分析

    根据优化设计方案，在总回风大巷进行工业性试验，对新支护巷道进行为期45 d的观测．并记录每一天巷道围岩不同变化情况，观测结果表明在高地应力作用下，采用全断面U型钢支护和底板深浅部围岩锚杆（索）联合支护技术后，锚杆（索）整体补强作用明显，有效控制了巷道底鼓；巷道围岩变形表现出的流变特性十分明显，这是在高地应力作用下，软岩巷道表现出的典型特征；巷道表面位移明显减小，呈现出巷道顶底板移近量大于两帮移近量的分布规律，这主要是由于巷道水平应力大于垂直应力的结果，在挤压变形作用下，巷道顶底板移近量大于两帮移近量；顶底板累计移近量平均值为144 mm，平均移近速度为3.5 mm/d，两帮的移近平均值为124 mm，平均移近速度为3.1 mm/d。

4.2  内部围岩情况

    为观测巷道围岩内部松动圈范围，确定支护参数和裂隙演化是否合理，对总回风大巷的塑性区范围进行钻孔成像观测。钻孔成像记录仪采用YTJ20型岩层探测记录仪进行观测，该仪器具有即时成像、图像存储以及探测深度大等优点。

    由观测结果可知，巷道顶板深度大于1.6 m、帮深度大于1.3 m以及底板深度大于2.2 m后，围岩无明显裂隙出现，且整体完整性较好；同时巷道也无明显的顶板下沉离层、片帮以及底鼓引起的岩层断裂等现象的发生，足以证明高地应力软岩巷道底鼓得到了有效控制。

5  结论

    (1)巷道顶板易冒落，裂隙发育，抗压强度低，底板以粉砂岩和铝质泥岩为主，松散破碎，遇水极易膨胀、软化。在高地应力作用下，由于原支护形势不合理，造成冒顶、片帮以及底鼓等矿压显现十分严重。

    (2)实施全断面U型钢支护和底板深浅部围岩锚杆（索）联合支护技术后，其最大特征是能够在短时间内实现支护介质与围岩结构耦合一体化，使得围岩支护更加合理、有效地减弱巷道帮角应力集中现象。

    (3)采用联合支护技术后，锚杆（索）整体补强作用明显，顶底板累计移近量平均值为144 mm，移近平均速度为3.5 mm/d，两帮的移近平均值为124 mm，移近平均速度为3.1 mm/d，巷道围岩整体完整性较好，无明显的顶板下沉离层、片帮以及底鼓引起的岩层断裂等现象的发生，对高地应力软岩巷道底鼓控制效果显著。