摘 要：为了有效控制西翼副暗斜井巷道变形，提出淮北矿区围岩支护强度最大化方案修改支护设计，采用“迎头一次锚网索喷+后路二次锚带网喷+全断面深浅孔锚注”联合支护方案，并通过一系列技术措施对西翼副暗斜井围岩治理进行现场实践。研究结果表明：围岩强度低、断层构造多是导致巷道变形的主要原因；底板软弱岩层裂隙发育是导致巷道底臌的主要原因；底板游离水的影响，也会引起巷道发生底鼓现象。
关键词：高地应力；围岩治理；支护技术；研究
0.引 言
西翼副暗斜井担负着集团公司今年年底安装使用盾构机的重大使命。巷道围岩以泥岩为主、砂岩零散分布。小断层发育，多次揭穿煤层。掘进施工期间，小断层发育，围岩破碎、易泥化，巷道变形量大，底臌严重。巷道支护设计基本满足使用状况，但巷道底鼓及局部帮部变形没用得到有效控制，经常停头对后路进行卧底刷帮，占用人员多，掘进效率低，严重制约岩巷单进水平。为有效控制巷道变形，笔者提出了以淮北矿区围岩支护强度最大化方案修改支护设计，采用“迎头一次锚网索喷+后路二次锚带网喷+全断面深浅孔锚注”联合支护方案，并通过分台阶施工、隔断上部流动水源、底板浅层无压注浆等一系列技术措施，对高地应力下围岩治理提供新的方向。
1．地质概况
西翼采区10煤顶板150m范围内泥岩及煤共有8层，总厚度80m以上，其余的岩层以砂岩为主，但是砂岩层大都含有泥质成分；10煤底板80m范围共有泥岩4层，总厚度超过35m。对西翼副暗斜井的掘进造成显著影响的断层共有7条之多，落差小于10m的断层有3条，落差10～30m的断层2条，超过100m的断层2条。受断层、砂岩裂隙，巷道施工至断层或裂隙发育段位置时，可能会伴有少量滴、淋水现象，水量0.5～5m3/h。条件类似下山巷道掘进的基本经验显示，顶板淋水、施工用水总会向下山巷道迎头聚集，严重恶化迎头施工环境，降低围岩强度，影响施工的整体效率。
2．现状调查与原因分析
西翼副暗斜井由6煤顶板向下穿层至10煤底板，15°下山掘进，设计工程量780m。巷道设计为直墙半圆拱形断面，净宽5200mm，净高4200mm，采用双层锚网索喷注支护，巷道围岩以泥岩为主、砂岩零散分布。掘进施工期间，巷道大坡度下山掘进施工，综掘机存在后退上山困难的情况，同时小断层发育，围岩破碎、易泥化，巷道变形量大。由于前掘后臌，底臌紧跟综掘机，来不及底板注浆加固，底臌严重。根据西翼副暗斜井10组矿压观测数据显示，两帮最大变形量0.6m，底臌最大变形量1.0m，迎头经常停头投入大量人员对后路进行卧底刷帮；巷道施工采用DSJ100/100/2×125型落地式皮带机运输，受底臌影响，皮带跑偏撒货，无法正常运行，每天都要调整皮带；占用人员多，掘进效率低，严重制约岩巷单进水平。
断层是巷道开挖过程中常见的不良地质现象，它的分布区段是巷道围岩不稳定区段之一。断层附近煤岩体一般较为破碎，再加上巷道开挖后围岩应力状态恶化，围岩变得更为破碎。断层附近围岩应力高、围岩的峰后力学特性是围岩变形破坏的重要原因。
1）围岩应力高
原岩应力是巷道围岩变形破坏的根源。矿井巷道是在原岩应力作用下开挖的，在巷道开挖的整个过程中，原岩应力一直对开挖起作用。原始地应力包括上覆岩层产生的重力场应力及地质构造应力两大部分，对于重力场产生的地应力仅与上覆岩层及其采深有关。随埋深的增加垂直应力也随着增大，中间主应力与垂直应力较为接近，且与埋深基本成正比关系。
受断层的影响，断层附近往往存在较大的构造应力，是由长期的地质构造运动产生的。与重力场比，构造应力很不稳定，它的参数在时间和空间上有很大差异，它的存在直接决定着巷道的稳定性。巷道开挖后，在高应力作用下岩块沿结构面剪切滑移，破碎围岩易于发生进一步破坏。
2）应变软化特性
岩石超出峰值应力后仍具有一定的承载能力，而这一承载能力随着应变的增大而逐渐减小，表现出明显的应变软化现象。对于断层带的破碎岩体，在开挖卸载以后，如果不加以控制，随着变形的增大，承载力的降低，破碎煤岩体将进入摩擦阶段，最终导致煤岩体的破坏而片帮或冒顶。
3）体积膨胀特性
通过对泥岩和砂岩进行三轴压缩试验可知：无论是低围压还是高围压情况下较大的体积膨胀均是在岩石破坏后立即出现的；在残余强度阶段，即使不增加载荷，体积也会不断增大，这说明巷道围岩的严重变形是岩体变形破坏后的力学行为。对于断层带破碎岩体，其峰后体积应变比峰值前一般大1～2 个数量级。因此，在一定意义上可以说，控制断层破碎带巷道围岩变形即为控制围岩破碎后的体积膨胀。
另外，由于巷道围岩注浆加固与巷道基本支护存在时空关系，造成注浆加固施工组织无法与巷道支护同步进行，同时巷道附近临近巷道多，多处与老巷道存在巷道空交关系，保护岩柱小，老巷道扰动新掘巷道围岩应力分布，矿压显现快，巷道底板注浆加固前已出现底臌等现象。上部车场及连通平巷内的积水都可以通过巷道底板松动圈的通道源源不断的渗入副暗斜井底板，底板游离水的不断风化令底板围岩强度大幅降低。
3．支护设计优化
1）支护强度最大化
按照淮北矿区围岩支护强度最大化方案修改支护设计，采用“迎头一次锚网索喷+后路二次锚带网喷+全断面深浅孔锚注”联合支护方案，二次支护紧跟综掘机二运机尾（滞后迎头不大于40m），巷道全断面注浆加固（注浆滞后迎头不大于60m），确保巷道支护效果达到设计要求。
2）分台阶施工
分台阶施工过程中，综掘机的破岩断面不再是正前方的拱形断面，而是既包括迎头部分拱形结构的断面又包括底板及两帮一定范围内的矩形断面，如下图1所示。
图1 分台阶施工
就迎头来说，上段台阶高度3000mm，下段台阶高度1500mm，但是下段台阶始终隐伏于上段台阶之下。
迎头高度由4500mm降低至3000mm后，下山巷道顶板的支护作业难度将降低，迎头维护的难度也将降低，而且由于工作面施工场地的加大，可以允许多部风锤、多部锚索钻机同时施工，有利于提高掘进效率。
3）隔断上部流动水源
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图2 底板注浆排水加固作用原理
高应力软岩巷道的破坏大多是从底臌开始的，主要原因可概况为三个：
①底板松动圈深度最大；
②底板的直接支护强度最低；
③水对底板的弱化作用最明显。
底板注浆，可以产生两方面的良好作用：
①很好地将整个松动圈范围内原本松散的岩块重新粘接，大幅提高其承载能力；
②将底板内游离的水排出，使得底板松动圈不因水的风化作用下进一步扩大。
西翼上部车场内布置有水沟，附近区域的大量流水，包括顶板淋水、施工用水、清洁用水，均由此排出。上部车场通过一段平巷与副暗斜井相连，而且平巷内的水沟与上部车场的水沟是连通的。上部车场及连通平巷内的积水都可以通过巷道底板松动圈的通道源源不断的渗入副暗斜井底板。底板游离水的不断风化令底板围岩强度大幅降低，承载结构的局部损伤势必严重影响其整体稳定。
在副暗斜井上部变坡点以下5m范围内以3000×3000mm的间排距施工500-1000mm的浅孔四个，并进行浅孔无压注浆，注浆时间1-2分钟；浅部注浆24小时后，在原设计钻孔位置施工2.0m的中等深度注浆孔进行无压注浆，注浆时间1-2分钟；中孔注浆24小时后，在原设计钻孔位置施工4m的深部注浆孔，并继续进行无压注浆，注浆时间控制在1-2分钟。通过底板深浅孔无压注浆，隔断上部流动水源。
4）底板浅层无压注浆。
巷道内底板采用分段注浆，巷道底板注浆分段长度以100m为宜。在已分割巷道底板中心点，以20m的间距施工2.5m的浅层无压注浆孔，进行浅部无压注浆。
5）底板深孔高压注浆。
以1600×2400mm的间距施工4m的深层注浆孔，进行深部高压注浆，注浆终止压力6Mpa。
6）巷道帮顶注浆。
以1600×1600mm的间排距施工顶帮注浆锚索，孔深7000mm，以1600×1600mm的间排距施工巷道顶帮注浆锚杆，孔深3000mm，对每排钻孔均进行注浆加固。
巷道帮顶初次注浆完成后，将形成一个下图3所示的承载结构。该结构受到竖向及水平方向应力的作用。工作面开采及周边巷道的布置会使竖向及水平方向的应力均有不同程度的上升。增长的竖向应力能较为均匀的分布在整个承载面上，但是水平应力的上升会引起正定部位应力集中程度的急剧加强。
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图3 帮顶初次注浆形成的承载结构
为了保证上述承载结构对水平方向的矿压也有足够的抗力，需设置帮部补强锚索，如下图4所示。
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图4 承载结构帮部补强示意图
4．取得成果
1）注浆后巷道变形量基本在200mm以内。
2）高地应力下岩巷快速掘进突破单进120m/月。
3）首次创新应用高地应力下围岩治理新模式（隔断上部流动水源、底板浅层无压注浆）。
5．结论
1）断层附近围岩应力高、围岩的峰后力学特性是围岩变形破坏的重要原因。
2）底板游离水的不断风化令底板围岩强度大幅降低。
3）注浆可以大幅提高巷道承载能力，提高支护强度。
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作者简介：
张江伟（1986-），男，河南虞城，采矿工程师，2010年河南理工大学岩土工程，淮北矿业（集团）有限责任公司袁店二井煤矿生产技术部副部长，学士学位。