高应力巷道底板卸压及围岩锚注支护技术

李迎松，郑明明，胡 磊，徐 阳，王旭瑞

（平煤神马控股集团有限公司平煤股份 八矿，河南 平顶山 467000）

0 引 言

随着煤炭资源开采深度的不断增加，矿井开采条件逐渐变得复杂，特别是深部高应力巷道出现支护困难、围岩破损严重以及维修工程量大等问题[1-2]。目前高应力巷道出现的问题已严重影响到矿井的日常生产，现有传统的支护技术难以匹配日益增长的煤炭资源开采的需求[3]。因此亟待提出一种新型的支护技术，解决深部高应力巷道难以支护的问题[4-5]。

采用巷道卸压的方法能够转移围岩的高应力分布区域，从而改善高应力对围岩变形的影响[6]。目前常用的卸压方法有切顶卸压、钻孔卸压、底板卸压等。针对深部高应力巷道可通过数值模拟的方法分析围岩卸压效果，进而得到合理的卸压参数，用于指导现场施工[7-8]。另外，对于围岩破损严重的巷道，巷道支护常采用锚注支护的手段，锚注支护能够通过注浆填充围岩裂隙，增加围岩的完整性，最大程度的发挥锚杆的锚固性能[9-10]。

本文针对平煤八矿高应力回风上山巷道围岩软弱易破碎，巷道底鼓严重的问题，采用数值模拟的方法确定了底板卸压槽的参数，并提出“混凝土+锚网+注浆＋卸压槽”的多层次联合支护方案，解决了该巷道在支护过程中遇到的问题，保证了矿井的安全开采。

1 概 况

平煤八矿回风上山巷道所处岩层以泥岩为主，围岩软弱，易破碎，遇水易膨胀变形，且所处岩层以构造应力为主，最大主应力方向为近水平方向，造成围岩塑性变形大，巷道底鼓严重。巷道顶底板岩性见表1。为解决上述问题，提出了围岩锚注和底板卸压的支护方式，可以为后续巷道支护提供一定的技术参考。

表1 回风上山巷道顶底板岩性分布情况Table 1 Roof and floor lithology distribution of return air uphill roadway

2 底板卸压模拟研究

2.1 数值模型建立

为了能够清晰反映底板卸压的效果以及合理的确定底板卸压槽的参数，采用UDEC 软件建立了回风上山巷道的数值计算模型，模拟的巷道埋深为813 m。根据现场调研了解到的岩层分布情况，沿巷道顶底板岩层垂直剖面建立平面应变模型，如图1 所示。模型长度为98.0 m，高度为65.0 m，共分为5 层，分别为砂质泥岩23.0 m、中粒砂岩4.3 m、泥岩12.2 m、砂质泥岩7.7 m 和细粒砂岩17.8 m。载荷分布形式简化为均布载荷，通过巷道上覆岩层自重换算得到p=19.31 MPa。

图1 数值计算模型Fig.1 Numerical calculation model

2.2 卸压效果分析

为了能够直观的反映开挖卸压槽对抑制巷道底鼓产生的作用，采用数值模拟的方法对卸压前后底板应力变化进行对比，卸压槽宽度为0.8 m，深度为1.0 m。在巷道底板中线位置垂直向下布置15.0 m 的测线，从底板位置开始，每隔1.0 m 设置1 个测点，测线布置位置如图1 所示，开挖卸压槽前后底板围岩的垂直应力和水平应力变化曲线，如图2所示。

图2 开挖卸压槽前后底板围岩应力变化曲线Fig.2 Stress variation curve of floor surrounding rock before and after excavation of pressure relief groove

从图2 中可以看出，开挖卸压槽后的垂直应力小于开挖卸压槽前，卸压槽能够增加底板围岩的变形空间，使底板围岩的裂隙得到充分发育，并向底板深部扩展，使垂直应力的高应力区向底板深部转移，减小巷道浅部底板的垂直应力。

另外，卸压槽的存在增加了底板的自由面宽度，使底板水平应力的低应力范围增加，开挖卸压槽后水平应力小于开挖卸压槽前相同位置处的水平应力，且水平应力峰值向深部移动了1.0 m。综上分析，开挖卸压槽能够有效降低巷道底板围岩的应力，对底板卸压有显著效果。

2.3 卸压槽参数确定

为了合理确定卸压槽的宽度和深度，模拟方案分别设计了3 个宽度水平和3 个深度水平，采用正交方法，共9 组模拟方案。其中宽度分别为0.8、1.2 和1.6 m，深度分别为1.0、1.5 和2.0 m。

根据9 组卸压方案的模拟计算结果，分析卸压槽宽度和深度对巷道围岩变形量的影响，通过二次多项式回归分析，巷道两帮变形量、顶底板变形量与卸压槽宽度和深度的关系，进而得到合理的卸压槽参数。巷道变形量与卸压槽宽度和深度关系如图3 所示。

图3 巷道变形量与卸压槽宽度和深度关系Fig.3 The relationship between roadway deformation and the width and depth of pressure relief groove

从图3 中可以看出，巷道顶底板移近量和两帮移近量随着卸压槽宽度和深度的变化，具有相同的变化趋势。卸压槽深度增加，巷道变形量增大，巷道围岩塑性区变大，围岩高应力区向深度转移，有利于扩大底板卸压区范围，因此，卸压槽深度选择为2.0 m。同样，卸压槽宽度的增加也会导致巷道塑性区范围增大，但当卸压槽宽度增加到1.6 m时，巷道变形量会出现一个突增现象，不利于巷道围岩的稳定，因此，卸压槽宽度选择为1.2 m 较为合理。综上对9 组模拟方案的结果分析，卸压槽宽度和深度分别确定为1.2 m 和2.0 m。

3 支护方案设计及应用

3.1 支护方案设计

根据平煤八矿回风上山巷道围岩岩性及围岩变形破坏规律，采用底板卸压和围岩锚注的支护思路，提出“混凝土+锚网+注浆＋卸压槽”的多层次联合支护方案，如图4 所示。

图4 巷道多层次联合支护方案示意Fig.4 Multi-level combined support scheme of roadway

通过在巷道底板开挖卸压槽，能够有效改善底板的应力状态，可以将底板高应力转移至围岩深部。通过对围岩注浆加固，提高巷道围岩的自身强度，为锚杆提供锚固着力点，充分发挥锚杆的锚固效果，提高围岩的自承载能力。

具体支护参数为，4 层混凝土、3 层锚杆、3层钢丝绳网、注浆加固以及底板2 个卸压槽的联合支护，其中4 层混凝土的厚度分别为0.08、0.10、0.10 和0.07 m。锚杆均采用φ22 mm×2 400 mm的左旋无纵筋高强度树脂锚杆，锚杆间排距为0.70 m×0.70 m。钢丝绳网格为0.70 m×0.70 m。底板卸压槽宽度为1.2 m，高度为2.0 m，后期底板卸压槽需要利用混凝土充填。注浆锚杆采用φ20 mm×1 800 mm 的自固内注浆锚杆，注浆锚杆间排距1.5 m×1.5 m。注浆材料水灰比为0.9∶1.0，注浆压力保持在2.8~4.5 MPa。

3.2 施工工艺

现场施工主要包括喷射混凝土、挂钢丝绳网打锚杆、开挖卸压槽和注浆。

（1） 喷射混凝土。在巷道开挖结束后进行初喷，混凝土厚度为0.08 m。之后依次进行3 次挂钢丝绳网打锚杆和喷射混凝土，每次喷射混凝土的厚度分别为0.1、0.1 和0.07 m。4 次混凝土的厚度应不小于0.35 m。“四喷三挂”立面，如图5（a）所示。

图5 支护立面图和平面图Fig.5 Support facade and plan view

（2） 挂钢丝绳网打锚杆。钢丝绳分为主绳和副绳，主绳由两股钢丝绳组成，副绳由一股钢丝绳组成。施工时主绳的一端被锚杆托盘固定，同时给钢丝绳施加一定的预紧力，并在钢丝绳走向方向上依次打入锚杆，副绳不用锚杆托盘固定，施工时副绳交叉穿过主绳固定。钢丝绳沿巷道轴向方向每段长度为8 m，沿巷道环向方向每段长度为19 m，当两段钢丝绳需要搭接时，搭接长度不小于0.8 m。挂钢丝绳网打锚杆平面如图5（b） 所示。

（3） 开挖卸压槽。卸压槽开挖在第三次挂钢丝绳网打锚杆之后进行。卸压槽采用放炮结合人工掏槽的方法开挖。卸压槽宽度为1.2 m，深度为2.0 m。等待巷道卸压15 d 后，进行第四次喷射混凝土，并将卸压槽喷填。

（4） 注浆。在巷道卸压结束后进行壁后注浆加固，巷道分两次注浆，第一次为浅部注浆，注浆深度为2.5 m，第二次为深部注浆，注浆深度为3.0 m。注浆锚杆间排距1.5 m×1.5 m。注浆材料水灰比为0.9∶1.0，注浆压力保持在2.8~4.5 MPa。

3.3 巷道围岩稳定性分析

为了分析巷道围岩稳定性的控制效果，在回风上山巷道工业性试验段进行钻孔窥视，窥视钻孔水平布置在巷帮，钻孔深度大于7 m。钻孔窥视的结果如图6 所示。

图6 钻孔窥视图Fig.6 Borehole peep view

从图6 中可以看出，巷道0~1.0 m 的围岩比较破碎，1.0 ~ 3.0 m 岩体出现离层，裂隙横向发育，通过注浆，裂隙出现重新胶结现象，3.0~5.0 m 纵向裂隙较为发育，在钻进过程中产生大量岩屑，5.0~7.0 m 围岩完整性较好。

采用底板卸压和围岩锚注的支护方案，通过底板卸压分散了高应力集中区，改善了底鼓现象。通过深孔、浅孔交替注浆，浆液扩散半径达到3.0 m，巷道浅部围岩整体性较好。

4 结 论

（1） 针对平煤八矿高应力回风上山巷道围岩软弱易破碎、巷道底鼓严重的问题。采用底板卸压和围岩锚注的支护思路，提出了“混凝土+锚网+注浆＋卸压槽”的多层次联合支护方案。

（2） 结合UDEC 软件建立了回风上山巷道的数值计算模型，对比了卸压前后的应力分布情况，卸压槽能够有效的分散巷道底板的高应力集中区。确定了卸压槽的宽度为1.2 m，深度为2.0 m。

（3） 制定了一套完整的施工工艺流程，通过钻孔窥视分析，巷道围岩整体性较好，巷道变形得到了有效控制。