榆树井煤矿软岩硐室围岩变形规律及支护技术研究

王均明

（内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016200）

1 工程概况

榆树井煤矿二采区污水处理硐室位于+980 m水平，在5 煤层中掘进，煤（岩）层走向近南北，倾向东，平均倾角约7°，平均厚度为3.40 m，普氏系数f 为1～2。煤层顶底板条件如图1。巷道围岩为软岩，岩性以中细砂岩为主，岩石松软、遇水膨胀泥化，矿压显现主要表现为巷道底鼓，淋水段可能会出现顶板下沉。二采区污水处理硐室巷道设计长度37.4 m（斜距），断面规格分为硐室开门位置至硐室主体位置的1-1 断面、硐室主体位置到二采区泵房贯通位置的2-2 断面，两断面规格见表1。针对围岩软弱，遇水易泥化的情况，对硐室软弱围岩变形规律[1-7]及支护技术进行了研究。

图1 煤层顶底板岩性图

表1 巷道断面形状及规格表

2 软岩巷道变形破坏规律

硬岩巷道围岩介质相当于线性弹性体或理想弹性体，变形量小，一旦形成塑性破坏，围岩自承载能力将迅速降低。软岩巷道围岩变形则是显著的非线性的塑性变形，容易产生大变形失稳现象，而软岩巷道围岩产生塑性区后围岩仍有一定的自承载能力。巷道开挖以后打破了岩体本身的三向应力平衡，巷道围岩应力重新分布，若巷道埋深超过软化临界深度，调整后的应力高于岩体最大强度的部分岩体就发生破坏，围岩应力将再次重新调整，形成塑性流动区、塑性软化区、塑性硬化区、弹性区四个分区，如图2。弹性区对应于弹性变形阶段，塑性硬化区对应于塑性硬化阶段，塑性软化区对应于岩石的峰后软化阶段，塑性流动区对应于岩石的松动破坏阶段，其中巷道断面越大、岩石强度越低、埋深越大及受采动影响越严重，则非弹性区范围越大。同时软岩也会因时间影响而产生蠕变，围岩强度进一步降低。

图2 软岩巷道围岩变形分区

3 软岩巷道控制原则

1）选择巷道围岩稳定的最佳支护状态

围岩发生弹塑性变形范围内，围岩随变形的增大，支护载荷大幅度降低，如果采用支护限制这种状态下的围岩变形，需要很大的支护抗力，如果没有充分利用围岩的自承能力，容易造成支护失效，且增加成本。软岩在塑性硬化状态下仍然具有一定的强度及承载能力，且浅部围岩破坏后应力向深部转移，破坏区内的围岩得到卸载，支护系统只需要将该区域内围岩压实，避免形成松动区，要充分利用其承载能力，达到最优的支护效果。

2）提高围岩稳定性及支护强度

提高围岩稳定性是保持支护系统与围岩变形有效平衡的关键，需要避免围岩遭受破坏和局部出现应力集中现象，要隔绝空气、水等环境因素对围岩稳定性的影响，最好采用全封闭式支护方式来提高围岩的自稳和保持良好的受力状态。在一定的变形范围内，围岩变形与支护阻力关系不大，但当围岩变形超过一定范围后，支护阻力减少，围岩变形会急剧的增大，因此需要提供一定的支护强度。

4 软岩硐室围岩支护方案

4.1 支护方案

由于二采区污水处理硐室围岩属于遇水易膨胀软化的软岩，需要选择合适支护时机及时封闭围岩，防止围岩泥化强度急剧降低。首先，采用全断面锚网索耦合支护，锚杆组合梁、悬吊作用可以将硐室浅部破碎围岩形成一个整体，锚索将浅部围岩与深部稳定围岩连接起来，形成双向拉伸应力，稳定围岩；而锚网索的耦合作用可以有效控制围岩协调变形，形成支护结构的整体。采用喷浆和钢筋混凝土砌碹支护能够封闭围岩，隔绝水、空气的影响，同时可以避免支护结构的风化损坏，提高支护强度。砌碹进行一次支护后，待围岩变形降低到一定程度后再进行二次支护，避免支护抗力过高导致支护系统失效。软岩硐室极易产生底鼓，底鼓将严重影响硐室的正常使用，因此需采用反底拱的结构提高支护力来抑制底板变形。

4.2 支护参数

1）巷道全断面采用锚网（梯）索喷+单层钢筋混凝土砌碹支护，一次支护顶帮及反底拱初喷70 mm，复喷50 mm，喷砼标号C20。

2）锚杆布置。巷道1-1、2-2 断面初喷后全断面使用Ф20 mm×2800 mm 左旋无纵筋高强锚杆，锚杆采用200 mm×200 mm×10 mm 锚杆盘配Ф12 mm 钢梯压网使用。

3）锚索布置。1-1 断面锚网（梯）喷支护后进行锚索支护。顶部每排布置5 套Φ21.8 mm×9000 mm 矿用普通钢绞线锚索，1×19 芯；施工时以拱顶正中布置1 套，然后按间距1400 mm 向两侧再各布置2 套；锚索配合W 型锚索梁（孔距1600 mm，规格2000 mm×280 mm×5 mm）及异型托盘（250 mm×150 mm×10 mm）沿巷道掘进方向布置；相邻锚索梁间锚索排距为1600 mm。两帮及底板锚索使用规格Φ21.6 mm×6000 mm 矿用普通钢绞线锚索，1×7 芯。帮部每排布置3 根，距起拱线下325 mm 处布置第一根锚索，底板每排布置4 根锚索，间排距均为1200 mm×1600 mm，锚索配合W 型锚索梁（孔距1200 mm，规格2800 mm×280 mm×5 mm）与异型托盘（250 mm×150 mm×10 mm）使用，帮部锚索梁垂直巷道掘进方向布置，底板锚索梁沿巷道掘进方向布置。

2-2 断面锚网（梯）喷支护后进行锚索支护。巷道施工段顶部每排布置7 套Φ21.8 mm×9000 mm 矿用普通钢绞线锚索，1×19 芯；施工时以拱顶正中布置1 套，然后按间距1200 mm 向两侧再各布置3 套；锚索配合W 型锚索梁（孔距1400 mm，规格2000 mm×280 mm×5 mm）及异型托盘（250 mm×150 mm×10 mm）沿巷道掘进方向布置；相邻锚索梁间锚索排距为1400 mm。两帮锚索使用规格Φ21.6 mm×6000 mm 矿用普通钢绞线锚索，1×7 芯。两帮距起拱线下428 mm 处各布置第一套锚索，然后按间距1200 mm 再各布置2 套。间排距1200 mm×1400 mm，锚索配合W 型锚索梁（孔距1200 mm，规格4000 mm×280 mm×5 mm）与异型托盘（250 mm×150 mm×10 mm）垂直巷道掘进方向布置。

4）反底拱在巷道施工至设计位置后再锚网（梯）喷支护。反底拱锚网（梯）支护与帮部锚网（梯）支护相连。

5）砌碹支护。一次支护后进行二次支护砌碹施工；二次支护全断面采用单层钢筋混凝土砌碹，砌碹厚度300 mm，浇筑混凝土强度均为C30。二次钢筋混凝土砌碹支护待巷道施工至设计位置浇筑反底拱完成后施工。

各断面支护如图3。

5 软岩硐室围岩监测

对污水处理硐室巷道顶底板相对移近量、两帮相对移近量、顶板离层量监测等进行现场观测，布置两组矿压观测点，结果如图4。从图4（a）可知两断面的最大顶底板移近量均为380 mm，两帮最大移近量分别为530 mm、535 mm，且均在15 d 后趋于稳定；从图4（b）、（c）可知两断面顶板浅部与深部的离层量均较小，趋于稳定后最大浅部离层量为13 mm、最大深部离层量为15 mm。说明支护系统能够有效控制围岩变形。

图4 现场监测图

6 结论

1）软岩巷道变形具有显著的非线性塑性变形，在塑性变形后仍具有一定的强度，软岩支护需要在合适的状态进行，以充分利用其承载能力，达到最优的支护效果，且要具有一定的支护强度。

2）提出了软岩巷道控制原则，并设计了全断面锚网（梯）索+喷浆+钢筋混凝土砌碹支护+底板反底拱的支护方案，对现场硐室围岩变形进行实时监测，结果显示围岩变形较小，并逐渐趋于稳定。