Research on Failure Mechanism and Control Technology of Roadway in Sanhejian-980m Yard
胡占海 HU Zhan-hai
（徐州矿务集团公司三河尖煤矿，徐州 221613）
（Xuzhou Coal Mining Group Sanhejian Coal Mine，Xuzhou 221613，China）
摘要：随着煤炭开采越来越向深部发展，巷道围岩压力愈来愈大，矿井全断面来压巷道的支护与维护问题显得越来越突出。本文结合三河尖矿-980m车场巷道具体地质情况，重点应用了理论分析、现场实践以及矿压观测方法，系统的论述此类巷道围岩的特征，软岩巷道破坏的特点，围岩变形的影响因素，来压巷道的支护原则及其巷道的维护方法等。针对此类巷道典型特征制定常规深井软岩巷道支护施工工艺，并因地制宜地运用到三河尖矿-980m车场巷道上来。
Abstract: With the development of coal mining deeper and deeper, the surrounding rock pressure of the roadway is getting bigger and bigger, and the support and maintenance of the full-section pressure roadway in the mine is becoming more and more prominent. In this paper, combined with the specific geological conditions of the roadway of Sanhejian Mine-980m yard, the theoretical analysis, field practice and mine pressure observation method are applied. The characteristics of such roadway surrounding rock, the characteristics of soft rock roadway failure, the influencing factors of surrounding rock deformation, the support principle of the pressure roadway and the maintenance method of the roadway are discussed systematically. According to the typical characteristics of such roadway, the construction technology of conventional deep soft rock roadway support is established, and it is applied to the Sanhejian Mine-980m yard roadway according to local conditions.
关键词：岩巷；全断面来压；支护工艺
Key words: rock roadway；full section pressure；support technology
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）34-0187-03
1 绪论
对地下矿山开采而言，保证巷道开挖和支护稳定是矿山安全高效生产的前提。近年来，随着矿井开采深度的增加，地压越来越大、巷道变形急剧加大、巷道底臌及片帮严重，支护难度增加，严重危害巷道围岩的稳定性和巷道维护，制约深部开采。
徐州矿务集团三河尖煤矿在面临这类问题时从巷道变形的机理入手，制定了一套完善的加固修复方案来对其进行综合治理。巷道施工完毕后，受采动压力、水等影响，局部巷道变形、破坏严重，底鼓剧烈，巷道处于不稳定状态中，严重影响了矿井的生产。因此，分析研究这类巷道的变形破坏机理，改善围岩的受力状态，提出合理可行的支护控制技术，使巷道达到最佳支护水平，在保证巷道正常运行的同时，为矿山安全生产，提高矿井经济效益，实现矿井高产高效具有重要的理论意义和实践价值。
1.1 工程概括
徐州矿务局三河尖矿南翼采区采用上下山开拓，车场位于-980m水平，车场巷道基本位于-900~-1000m水平之间。该采区主要正在开采7#和9#煤层，煤层厚度平均为2.4m，煤层倾角大约为18°；7#煤顶板岩层主要由粉砂岩和粗粒砂岩组成，底板岩层主要由砂质泥岩组成，厚大约10m；9#顶板岩层由细粒砂岩构成，底板主要由泥岩、砂质泥岩构成。-980m水平南翼车场巷道原采用支护方案为：锚网+钢梯+顶锚索，底板无支护，巷道初始施工完成后，巷道部分段变形破坏严重，顶板下沉、底鼓剧烈，并处于不稳定状态。
1.2 巷道围岩变形破坏原因分析
现场调查表明，现有的支撑结构不能有效地保持巷道稳定、不变形，巷道严重变形的原因，包括岩性，地下水，地应力（包括构造应力），支护结构、参数和多种因素的综合影响。
1.2.1 岩性差对巷道的稳定性影响最大
南翼-980m车场巷道顶板和底板岩层主要是砂质泥岩，泥岩，巷道帮部围岩相比顶底板较好，但从巷道整体来看，围岩的岩性较差。由于锚喷支护主要是以发挥围岩自身的承载能力来进行支护作用的，所以当围岩岩性较弱、较差时，锚喷支护对巷道整个支护结构的支护作用就起不到有效的作用，使巷道变形加大。
1.2.2 地下水的作用降低了支护结构的承载能力
部分巷道围岩中存在大量的裂隙，这大大降低了整体的岩石稳定性，由于地下水的存在，一方面是松散散岩体泥化，流变现象显著；另一方面是大块的岩块出现软化，大大降低了其强度和承载的能力，使得岩块更容易被破坏，围岩裂隙加剧发育程度，从而形成恶性循环，使岩体特征显著下降，无法满足巷道稳定的要求。
1.2.3 不合理的支护结构与参数也影响了巷道围岩的稳定
支护现有的问题：一是采用金属网的整体性差；二是未对巷道的底角和底板采用有效地加固措施；三是锚杆，锚索对围岩只起到单一的作用，不能形成整体协同支护的效果；四是锚杆，锚索预紧力不足；五是未对围岩实施有效的封闭措施。
当围岩松动后，对于锚喷支护而言，特别容易造成端锚锚杆的整体失效，并且只允许少量的极限变形，当达到100~150mm围岩变形量时，支护结构被破坏，整体结构失稳。
1.2.4 巷道底板岩层稳定性差也是造成巷道破坏的一个重要因素
在巷道的每一段中，巷道底板岩层主要是砂质泥岩、煤等，由于没有采取有效的支护措施来对巷道的底角和底板进行支护，所以当巷道顶板压力较大时，巷道底板围岩中出现集中应力现象，使得巷道底板表现出显著塑性变形和剪切破坏，底板碎胀、弯曲、流变，底鼓显著。从而直接影响了巷道的整体稳定性，顶板下沉、两帮内挤。
1.3 本章小结
本章通过对变形巷道的现场调查，研究了三河尖煤矿-980m车场巷道的变形破坏特征并分析造成此现象的原因，主要得出以下结论：①三河尖煤矿-980m车场巷道变形破坏的主要形式有：巷道全断面收缩变形、拱肩剪切变形、底角內挤收敛、底鼓。②巷道的变形破坏原因：巷道的顶底板岩性较弱，岩层中多含砂质泥岩、泥岩，因而围岩表现出明显的蠕变和流变特性；地下水的影响，使部分岩体泥化、软化，降低岩体的强度和承载力；巷道所处的地应力环境差，使部分巷道处于极其不稳定的状态中；现行的支护问题，不合理的支护结构与参数，使支护不具有有效性、整体性、协同性、封闭性。
2 工业性试验方案
根据前面对巷道破坏原因和不同支护方案的分析，结合软岩巷道的控制原理及三河尖矿南翼-980m车场巷道的实际情况，设计巷道返修支护方案，具体方案设计如下所示。
2.1 南翼-980m车场巷道返修支护方案
2.1.1 断面设计
-980车场水平巷道保持原来设计的拱形断面，巷道净宽4.5m，墙高1.6m，净高3.85m，支护厚度取150mm，巷道掘进断面宽4.8m，高4.0m；为了施加底板支护并形成良好结构，设计巷道底板开挖成底拱结构。
2.1.2 拱形断面巷道修复支护参数
①初次锚网支护参数。顶板锚杆采用?准22×2200mm的规格，采用高强无纵筋螺纹钢制作，锚杆设计间排距为750mm×750mm，锚杆孔径为?准28mm，锚固长度大于1000mm，安装扭矩大于200kN·m；铺设的网采用采用8#或10#铁丝编织的经纬网，网格为50mm×50mm；钢筋梯采用14#圆钢焊接，喷射混凝土厚度为100mm，强度为C20。
②锚索支护参数。在巷道高强预应力锚杆的全断面锚网支护的基础。顶板的预应力锚索规格为?准17.8×6800mm（3根），两帮预应力锚索规格为?准17.8×4300mm（每帮3根，采用18号槽钢制作的托盘）锚索之间的距离为1200×1500mm，安排在高强度树脂锚索之间的两排，用树脂端锚，锚固长度不小于1500mm，每排分别设置九根预应力锚索。
③底拱结构及支护参数。对底臌严重的巷道拉底后，底板中线位置形成拱高600mm的反拱结构，并在底板安装5根?准20×2000mm的锚杆（或采用?准27×2500mm的自钻锚杆），锚杆间排距为1000×750mm；横向布置长4500mm、厚3mm的M型钢带，纵向布置两根16#槽钢梁（巷中两边对称布置），长1800mm；待锚杆安装完毕并注浆后用矸石回填。
④底板注浆加固参数。在底角螺纹钢锚杆之间插空布置（隔排）内注浆锚杆，锚杆孔径为?准45mm，锚杆孔深不少于1.95m，并与巷道底板呈30°、45°左右的倾角，锚杆间排距为1200×1500mm，锚杆规格为?准22mm×2000mm，采用4分焊接管扳丝制作；使用中空快硬水泥药卷和水泥浆封孔，封孔长度不小于1.0m；注浆浆液采用单液水泥－水玻璃浆液，水灰比控制在0.8～1.0，水玻璃的掺量为水泥用量的3～5％；注浆压力控制在1.0MPa左右，当巷道底板表面出现返浆时，即可停止注浆。
2.2 全断面锚网+U型钢联合支护方案
当巷道破碎带并有淋水时，采用在全断面锚杆+顶锚索支护基础上，实施带底拱的29U型钢支架和注浆联合支护的方式。其中巷道顶、帮锚杆及锚索支护设计参数同方案一（无底拱结构）；为800mm排距，两排锚杆之间的架设。U型钢由帮部4节，安装，帮助成立了第一端和拱的顶部后，两个六地板组成；支架背后钢筋采用圆钢Φ6焊接，80×80mm网格，规格为500×500的网格，最后再喷60mm厚的混凝土，形成高强度的支撑结构具有一个可伸缩的。
支架之间用连扳相连，以增强支架的整体性，连扳按两帮各两道设置；支架底部加设一道纵梁，纵梁为14号槽钢，长度2.5m，由两根长4.3m的锚索固定。纵梁切近巷道底板布置，纵梁之间切口搭接连成一体，以防止棚腿被巷道帮底部变形挤出，增强支架的整体性和协同抵抗围岩变形的能力。
U型钢架设以后，设变形测站对巷道进行收敛变形观测，并确定注浆时机，当巷道两帮位移超过50mm时，进行二次锚注加固。注浆锚杆采用?准22mm规格的无缝钢管制作，管壁厚度4mm，长度2000mm，间排距为1400×1600mm，并将锚杆和锚索插空布置。
2.3 本章总结
①南翼-980m车场巷道进行支护返修，巷道保持原先设计的拱形断面。拱形断面巷道修复，顶板和帮部采用锚网喷支护；底臌严重的巷道，拉低，形成反拱结构，并对反拱结构打锚杆，M型钢带、槽钢梁加固，注浆。②巷道破碎并有淋水段，采用全断面锚网加U型钢联合支护，即在全断面锚杆加顶锚索支护基础上，实施带底拱的29U型钢支架和注浆联合支护的方式。③对南翼-980m车场巷道返修的现场实践证明，采用锚网索加钢带支护，并对底板开挖反拱进行锚注，能有效控制巷道的破坏和变形。
3 结论
①通过加强支护，围岩成为统一的承载结构，围岩顶底板移近量减小70%以上，两帮移近量减小37.5%。巷道围岩基本稳定，底角部位受损已消除，底鼓较小，底角部位的应力以基本消除，巷道围岩控制效果良好。②根据典型深井软岩巷道支护方法和三河尖矿-980m车场巷道特殊的围岩环境，制定了顶板和帮部采用锚网喷支护；底臌严重的巷道，拉低，形成反拱结构，并对反拱结构打锚杆，槽钢梁加固，注浆支护方式。巷道破碎并有淋水段，采用全断面锚网加U型钢联合支护，即在全断面锚杆加顶锚索支护基础上，实施带底拱的29U型钢支架和注浆联合支护的方式。矿压观测表明该巷道的两帮变形总体较小，两帮及顶底板位移量较同类型巷道减少75%，而且主要是整体位移。巷道围岩完整、稳定，没有出现破坏，支护效果良好。
参考文献：
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