高地压复杂条件软岩巷道加固技术研究

高地压复杂条件软岩巷道加固技术研究

杨鹏程

淮北矿业（集团）有限责任公司安监局 安徽 淮北 235000

摘 要：为解决回采巷道高地压复杂条件下变形量大的的技术难题，针对其地质条件复杂多变的条件，提出以主动支护与被动支护相结合的支护加固体系，主要包括U型棚支护强度强化、围岩承载能力强化、破碎围岩注浆强化三个方面，该支护体系将U型棚支护、锚索梁、锁腿锚杆、注浆锚杆技术结合在一起，通过现场对比分析，对以后回采巷道支护形式提供了参考。

关键词：高地压、复杂条件、支护强度、破碎围岩

国内煤矿逐渐向深部发展，高地压软岩工作面数量也在不断增加，目前机、风巷普遍使用的支护形式有U型棚支护和锚网（索）两种形式，但这两种方式都存在着一定的缺陷，回采期间机、风巷变形量较大，无法满足安全及设备运输的基本要求。在回采期间不仅安全存在隐患，而且后期卧底改棚大大增加了劳动强度。为解决这一难题，我矿在7₂25风巷采用巷道采取顶板补打锚索梁、帮部补打锁腿锚杆、喷浆、右帮注浆加固的方案，并通过与原有支护形式的对比，不仅降低了回采期间巷道的维护成本及职工劳动强度，而且提升了回采期间的安全性。

1 巷道概况

⑴ 7₂25工作面为82采区左翼7煤组7₂煤层第三区段,上部以F9断层保护煤柱和-380m防砂煤柱为界,右侧以采区上山保护煤柱为界,左侧及下部为未开拓区域。风巷自采区上山保护煤柱向里走向长约579.6m范围在6₁23采空区下施工,机巷自采区上山保护煤柱向里走向长约727.6m范围在6₁25采空区下施工。F9、NJF10两条断层对掘进影响较大，外段风巷近F9断层保护煤柱施工，预计煤层起伏较大，顶板较为破碎，地压显现较为明显。

⑵ 7₂25风联巷及风巷总工程量1654.6m，风联巷2017年5月25日拨门施工，至2018年4月4日工作面贯通，共计施工10个月，风巷支护设计：0-860m为单一半圆拱U29型钢棚支护，断面：净宽×净高=4800×3200mm；860-1476m为平顶U29型钢棚+两道锚索梁支护，断面：净宽×净高==4800×3200mm

2 矿压显现原因分析

2.1 7₂25里段风巷受下幅10112_外工作面回采塌陷影响。10112_外工作面回采时间2017.09～2018.04，7₂煤层与10煤平均间距119.5m，影响范围采用移动角预计，具体参数：松散层移动角：φ=42°，基岩移动角：δ（走向移动角）=75°,γ（上山采用移动角）=75°，β（下山采用移动角）=75°-0.8α（α为煤层倾角）。7₂25里段风巷影响范围及变形情况：370m（F15点前52.5m至F23点前15m），两帮棚腿受帮部挤压，出现内扎，巷道底鼓速度快。

2.2 7₂25外段风巷受6₁23工作面回采和F9断层影响。

2.2.1 6₁23工作面回采影响，6₁23工作面回采时间2011.01~2011.07，基本已稳沉，但仍有应力作用，因7₂25外段风巷掘进改变其应力平衡，造成7₂25外段风巷局部巷道受应力影响产生变形，影响范围580m（F4～F13点）。

2.2.2 7₂25外段风巷近F9（∠60～70° H=0～20m）断层施工，平面距离11m（F1点）～100m（F17点，里段风巷调向位置）,其中受压力影响变形量最大有两处，一是F4点，该处为揭煤后跟煤层顶底板施工位置，顶底板为泥岩，顶板泥岩抗压强度平均为5.67MPa，底板泥岩抗压强度平均为5.10MPa，该处距断层平面距离约22m，该处主要受断层及6₁23回采共同影响；二是F10点，该处受褶曲影响，煤层有一定起伏变化，该处距断层平面距离约50m，在褶曲、断层及6₁23回采共同影响下，巷道变形量大，局部地段巷道断面仅为：净宽×净高=3.0×2.0m，两帮最大收缩量1.8m，顶底板最大说缩量为1.2m。

3 巷道加固方案

7₂25外段风巷F4～F13点，共计580m。

⑴ F4点附近40米巷道，采取改棚、顶板补打锚索梁、右帮补打锁腿锚杆、喷浆、右帮注浆加固的方案。先改棚，改棚结束后顶板分中800mm布置两排走向锚索梁,锚索规格：YMS17.8/6500mm，锚固剂型号：Z2550型，托梁采用U型钢加工，长度3.2m，一梁三索；底板向上500mm、1500mm施工两道锁腿锚杆，锚杆规格：GM22/2400mm，锚固剂型号：Z2950型，每根棚腿采用锚杆配合单片卡缆固定;巷中向右帮方向断面进行喷浆，喷层厚度150mm;底板向上800mm、2200mm施工两道注浆锚杆对巷道右帮进行注浆加固。

⑵ 其余巷道采取顶板补打锚索梁、右帮补打锁腿锚杆、喷浆、右帮注浆加固的方案（局部巷道变形严重先蹬棚腿）。顶板分中800mm布置两排走向锚索梁,锚索规格：YMS17.8/6500mm，锚固剂型号：Z2550型，托梁采用U型钢加工，长度3.2m，一梁三索；底板向上500mm、1500mm施工两道锁腿锚杆，锚杆规格：GM22/2400mm，锚固剂型号：Z2950型，每根棚腿采用锚杆配合单片卡缆固定;巷中向右帮方向断面进行喷浆，喷层厚度150mm;底板向上800mm、2200mm施工两道注浆锚杆对巷道右帮进行注浆加固。

附图1：加固示意图

5 锚注加固承载原理

⑴ 注浆和固结改善了破碎围岩的物理和力学状态。注浆固化后，可充填和封堵围岩的裂隙，隔绝空气，减轻已破碎围岩的风化，防止围岩被水侵湿软化，从而降低围岩本身的强度。同时，松散破碎围岩被胶结成整体，岩体内聚力和内摩擦角得到提高，从而显著提高了破碎岩体的承载能力；且支护体壁后充填严实，保证载荷均匀的作用在支护体上，避免出现集中应力而首先破坏，使支护体提供均匀的反作用力；再则岩体受力由单向或双向转化为三向应力状态，使其峰值强度和变形性能显著提高。

⑵ 加注浆锚杆改变了加固范围内岩体峰值后，承载和变形能力破碎岩体注浆实验表明，加锚注浆岩体可呈现理想的弹塑性特点，峰后不出现应力软化，在产生较大的横向和侧向应变情况下，轴向应力能维持较高的应力状态，呈现强化特性。因此由锚固形成的加固拱结构既具有较好的结构性和承载能力，又具有较好的让压性，可较好的适应高应力巷道的支护需求。

⑶ 多层组合拱结构的可靠性与承载能力显著提高。注浆充填围岩的裂隙和空隙，固化后配合锚固作用，可形成多层次有效组合拱结构，共同承载，扩大了支护结构的有效承载范围，提高了支护结构的整体性和承载能力。因锚注结构形成的组合拱厚度远大于单一支护形成压力拱，减小了作用在底板围岩中应力和塑性变形，实现了控制巷道底鼓的目的；巷道底板的稳定，有助于两帮的稳定，在底板与两帮稳定的情况下又能保持拱顶的稳定，从而保证巷道整体支护结构的稳定，实现对破碎围岩的有效约束，发挥破碎围岩的结构效应。

因此架锚注结构具有特有的支护特性，主要体现在具有较好的整体性、稳定的结构性及较高的承载能力和较强的让压与抗形变能力上。

6 主要结论

⑴ 针对复杂地质与工程条件下不稳定巷道围岩特性及不同支护特性,应从整体性、结构性、全面性、有效性和时效性原则出发,综合运用架锚喷注联合支护技术、整体让抗压支护技术、软弱围岩整体转化技术等围岩稳定控制技术,形成积极主动的支护方式,可实现对巷道围岩变形的有效控制。

⑵ 破裂岩体经注浆加固后,单轴抗压强度相对较低,具有弹塑性特性,在侧向约束条件下,其力学性能明显提高,峰后应力缓慢降低,无明显的残余变形段;而注浆加锚岩体无峰后软化和残余变形段,呈现理想弹塑性特性,表现出较高的承载和抗变形能力。
⑶ 破裂岩体锚注加固结构承载特性反映了静压条件下,不同支护形式的巷道变形情况差别不大,而在受动压作用下,不同支护与加固方式的巷道变形量相差较大,没有进行锚注加固的巷道变形量远远大于锚注加固处理后的巷道,最大相差值较大,且底鼓现象尤其突出。
⑷ 锚注加固结构具有特有的支护特性,主要体现在较好的整体性、稳定的结构性、较高的承载力和较强的让压与抗变形能力上,可对深部破裂围岩提供高应力的径向约束,使破裂岩体发挥应力强化特性,可大大提高支护结构的整体承载能力,适应深部高应力和复杂工程与地质条件的要求。

⑸ 架锚喷注加固技术在高应力软岩巷道加固方案选取合理，施工工艺简单可行，有效的控制了巷道变形，保证了回采期间巷道的安全性，建议掘进巷道施工期间使用架锚喷注加固支护方案，避免修护队伍反复进入回采巷道施工，具有一定的经济效益和推广价值。

参考文献：

[1] 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制。中国矿业大学出版社].2010.

[2] 班世杰，王富青.高地应力区域软岩巷道加固技术研究和应用.中国煤炭报，2008.

[3] 韩立军，贺永年，蒋斌松.复杂条件下软岩巷道控制机理与技术研究.中国软岩工程与深部灾害控制新发展，2008.