孙红俊
(山西汾西矿业集团水峪煤业,山西 孝义 032300)
结合707工作面围岩性质，分析了软岩巷道常见变形主要包括锚网索支护参数不尽合理、煤层厚度变化大、锚杆预紧力不合理等原因。结合707回风巷变形分析可知，该巷道变形主要原因在于不规则工作面、临近采空区等。
软岩巷道；变形分析；破坏机理
1 工程概况矿井主采侏罗纪1#煤层，该煤层埋藏深度为500 m～600 m，煤层厚度9.84 m～20.96 m。在1#煤层开采过程中出现过多次弱冲击压现象。1#煤层工作面回采巷道一般位于煤层顶板或底板附近。由于回采巷道所处煤层或岩层岩性较软，容易受到原岩应力和采煤工作面超前支承压力的影响而产生较大变形。以往，在工作面开采过程中，常采用多次返修的方式来维持巷道的正常使用。
目前，矿井正处在深部开采，在掘进过程中频繁出现“煤炮”现象。中国矿业大学对该矿l#煤层的冲击倾向性鉴定结果显示，该煤矿属于弱冲击地压型矿井。深部l#煤层开采区域还处在宝积山向斜构造的轴部附近，巷道受构造应力的影响比较明显，主要表现在巷道早期变形较大、支护难度较高。根据对705工作面的巷道维护情况观察发现，巷道变形比较严重，两帮严重内移，顶板严重下沉，巷道有效断面大幅度减小，已不能满足正常的生产要求。
根据矿井《资源储量核实报告》，F46断层的隐伏露头形迹呈缓波浪形，断层面倾向SW，倾角70°～75°，该断层为SW盘(上盘)上升、NE盘(下盘)下降的压扭性逆断层，落差东大西小。井田位于宝积山向斜的东北翼，为一简单的单斜构造，地层走向N45°～50°W，倾向SW，倾角浅部较大为46°～50°，深部变小至10°～27°。地层倾角除沿倾向由陡变缓外，沿走向浅部产状无大的变化，深部因受向斜和F46断层的影响有一定的起伏。
707工作面位于井田边界区域(见图1)，北面(浅部)为正在开采的705工作面，南部(深部)为F46断层，西部为未采708工作面，东部为宝积山断层。707工作面煤层埋深600 m左右，煤层厚度为9.84 m～20.96 m。707工作面大致平行于深部F46断层走向方向掘进，工作面成不规则的“刀把状”，回风巷受断层和向斜构造影响，其支护难度将比其他工作面大。
图1 巷道平面图
1#煤层干燥状态下的抗压强度Rb=27.45 MPa，饱和抗压强度Rw=10.54 MPa，软化系数μ=0.38，天然抗拉强度Rt=0.87 MPa。1#煤层普氏系数小于3，具有脆性，但韧性较差，难于弱化，易受冲击而破碎。
根据勘探报告披露，1#煤层直接顶板为炭质泥岩、铝质泥岩及泥岩，并含有大量的有机质，泥质岩层总厚度达35 m左右。同时，也含有较多的水平节理、层理以及滑面等结构面，具有滑感。干燥状态下原岩单轴抗压强度平均在40 MPa左右，但一旦浸水或长时间暴露在潮湿空气中，岩层会迅速风化崩解成薄片状，稳定性极差。1#煤层底板中分布着细砂岩、粉砂岩等岩层，局部区域底板为炭质泥岩，其显着影响着底板的稳定性。
1#煤层属于厚煤层，煤层伪顶为一层0.00 m～5.67 m厚的炭质泥岩或铝质泥岩，比较松软、易碎，随着工作面的推进而随采随落，稳固性差，极难管理。煤层直接顶板为灰—深灰—黑色的炭质泥岩，厚度4.13 m～5.04 m，致密，含炭量较高，遇水易膨胀，易垮落。老顶为石英细、中粒砂岩，平均厚度约20 m，坚硬，稳固性好。随着采煤工作面的推进，煤层上部的炭质泥岩和铝质泥岩随采随落，而上覆泥岩比较厚，本质上都不属于老顶的范畴。但工作面周期来压步距会缩短，动压出现的次数会增加，从而影响巷道的稳定。
煤层底板一般为灰白色、灰绿色细粒砂岩和粉砂岩，厚度较大，比较坚硬，稳固性较好；局部区域煤层底板为炭质泥岩，遇水易膨胀．容易发生底鼓现象。
2 巷道破坏特征及原因分析2.1 巷道破坏形式及特征巷道变形破坏程度与巷道围岩特征、巷道位置及尺寸、采煤工作面停采线位置、相邻工作面的开采情况、初期支护参数(锚杆及锚索支护参数和表面支护参数)有着密切的关联[1-2]。现场调查发现，目前，矿井其他类似巷道破坏形式主要表现在以下几个方面：1) 巷道围岩表面破碎严重，凹凸不平，喷层开裂比较严重，并且逐渐向深部扩展；2) 巷道两帮整体内移，宽度4.0 m的轨道巷，目前的宽度仅有2.5 m左右，巷道有效断面大幅度减小；3) 巷道顶板锚杆拉断较多，局部锚索破断，巷道支护体受到的剪应力影响较大；4) 采用木托盘作为表面支护的区域，很多木托盘进入煤体内或被压裂，丧失了表面支护作用。
2.2 巷道破坏原因分析从以往采煤工作面回采巷道的破坏形式看，巷道本身所处的平面位置、断层影响以及采动应力的作用对巷道的稳定产生重要的影响。同时，巷道支护材料选择、支护参数设计不合理，共同导致了巷道的变形破坏[3]。
1) 锚网索支护参数不尽合理
以往锚杆选择Φ20 mm×2 400 mm Q335普强锚杆，锚索为Φ17.78 mm×6 000 mm普通钢绞线锚索。对于应力状态复杂且具有弱冲击压型的巷道支护时，锚杆和锚索受力增加，低强度锚杆很容易被拉断。另外，由于低强度锚杆施工初期不能施加较高预紧力，后期巷道变形必然加大，可能导致锚索受力增加，且锚索的延伸率低，也可能造成锚索的破断。
2) 煤层厚度变化较大
1#煤层厚度为9.84 m～20.96 m，且西厚东薄，起伏较大。由于煤岩体的力学性质相差很大，当煤厚出现较大起伏时，煤体内储存的弹性能分布极不均衡，在受到采煤工作面超前支承压力、侧向支承压力等的扰动时，煤岩分界面就极易失去平衡。相邻工作面采用放顶煤开采产生的扰动源(侧向支承压力)，对巷道的稳定性也产生一定的影响。
3) 受构造应力与工作面采动应力相互作用的影响
由于该矿深部区域处于宝积山向斜构造带轴部附近，巷道长期处于构造应力的影响之中。同时，该煤层属于弱冲击压型，围岩内储存的冲击弹性能相对较大，伴随着工作面开采产生的上覆岩层运动影响，相应区域的应力状态产生了叠加，长时间处于高应力状态下的围岩极易发生疲劳破坏，导致巷道围岩表面首先产生裂隙，且释放部分能量而使表面产生松动破坏。在高应力的反复影响下，裂隙会逐渐向深部扩展，增大了巷道的破坏范围。
4) 锚杆施加预紧力效果差
由于巷道大部分都处于煤层当中，巷道围岩脆性较大，巷道在掘进过程中频繁伴随着“煤炮”声，对巷道表面的完整性产生显着影响。矿井原采用Q335普强螺纹钢锚杆支护，尽管施工设计要求锚杆安装扭矩为300 N·m，但采用人工手动方式很难达到要求，实际施加的预紧力较小。锚杆预紧力较小条件下，巷道围岩极易产生离层，导致岩层破碎裂隙扩展而出现早期变形。当裂隙扩散范围超出锚杆锚固范围后，锚杆端部锚固作用就会失效，最终导致锚杆支护失效，并随围岩整体外移。
5) 锚杆支护系统配套设计不尽合理
与锚杆配套的托盘全部选用了木托盘，而木托盘属于低位让压类托盘。由于煤层松软，在构造应力与采动应力的综合作用下，木托盘强度较低，极易产生破坏，丧失了表面支护的作用，导致锚杆外着力点丧失而失去支护作用。
6) 锚杆缺少让压耗能功能
由于该煤层属于弱冲击压型，围岩冲击弹性能相对较大，围岩应力较高，锚杆支护系统受力增加较快，在高应力作用下，无让压耗能功能的锚杆很容易达到屈服极限而被拉断。
2.3 707工作面回风巷特征通过对矿井地质资料和采掘工程平面图的认真研究和分析，认为707工作面回风巷较其他工作面回采巷道更难支护，表现为如下特点[4]：
1) 该工作面埋藏深度较深，其开采深度达到600 m左右。根据侏罗纪煤层软岩地质特征以及矿压显现情况分析，该工作面属于深部开采。
2) 该工作面靠近F46断层(此断层为逆断层)，产生的水平构造应力对巷道稳定性产生的影响较大。
3) 该工作面在向斜构造由陡变缓段的最底部，处于与断层形成的应力叠加区。
4) 该工作面呈“刀把状”不规则形态，回采时容易造成应力集中现象。
5) 701、703、705工作面的采空区在707工作面回采时的“见方效应”更易造成显着的矿压显现。
6) 煤层厚度较大且出现起伏，放顶煤开采过程中会产生较大的应力场，对巷道的稳定性造成一定影响。另外，煤层厚度起伏较大时，煤体内储存的弹性能分布不均衡，在受外界扰动条件下，煤岩接触面极易失去平衡。
因此，707工作面回风巷的支护属于“弱冲击地压条件下不稳定煤层回采巷道软岩支护类型”，该类巷道较一般的大变形软岩巷道更加复杂，对支护系统的整体性要求更高。
3 岩巷道破坏机理分析由于707工作面回风巷处于F46断层附近，构造应力使该巷道围岩整体性已遭到一定程度的破坏，巷道表面存在大量的层理裂隙，在自身重力及水平应力作用下产生松动压力破坏，同时使围岩弹性区向塑性区转变，使巷道围岩产生塑性变形破坏，而这种破坏形式就形成形变压力破坏。
707工作面回风巷近似平行于断层布置，同时还处在煤层当中，巷道在整个生产服务期间不仅受工作面采动的影响，而且受到逆断层水平应力的影响，围岩应力高度集中。707工作面回风巷还受其他工作面“见方效应”的影响，围岩应力和构造应力极易在时间和空间上叠加，必然对707回风巷稳定性产生一定程度的影响。707回风巷在开挖后支护的初期，变形量较大，而且具有持续性。
依据最大水平应力理论，巷道的轴向与最大水平应力方向垂直时，巷道的顶底板稳定性最差，巷道变形破坏最严重。
由于707工作面煤层厚度起伏较大，煤层和其他岩层力学性质相差很大，煤体内储存的弹性能分布不均衡，所以，在受到内外因素影响时，煤岩分界面就极易失去平衡。同时，707工作面回风巷一侧存在F46逆断层，会形成水平应力附加场，并与围岩应力相互叠加；当应力超过煤层的强度时，积聚在巷道周围煤岩体中的能量会突然释放出来。此时，巷道围岩多余的能量则以声响的形式从裂缝中释放出来。因此，在回风巷掘进过程中会频繁地听到“煤炮”声。
4 软岩巷道支护方法目前,国内主要采用锚网索支护以及注浆支护方法来维持软岩巷道围岩的稳定。锚网索支护系统从最初的普强螺纹钢锚杆、锚索及其配套的木托盘,发展到如今的高强、高预紧力让压锚杆和大弧型钢托盘，支护系统发生了质的变化。高强、高预紧力让压锚杆与巷道组成了强度较高的载体，较高的支护强度可以改善围岩力学性质(黏聚力、内摩擦角等)，提高围岩的残余强度。因此，高强、高预紧力让压锚杆在软岩巷道中起到很好的支护作用[5]。
注浆支护的注浆材料主要为水泥和化学浆，而这2种注浆材料对于构造软岩巷道支护都存在一定的缺陷。由于水泥浆注浆料泌水率较大，注浆过程中的泌水会与软岩岩层发生水化反应，进一步对软岩产生侵蚀破坏，容易使完整软岩产生膨胀、软化，达不到最初设计支护的目的；对于化学浆，由于其成本较高，很难在回采巷道中大量使用。
综合考虑707回风巷的特点和服务期，不考虑采用注浆加固法进行巷道加固。高强、高预紧力让压锚网索耦合支护系统采用一种具有吸能装置的让压管，在围岩集中应力较高的情况下，该装置可以主动吸收一部分弹性变形能，减小围岩应力对锚杆、锚索的剪切破坏。该装置可以根据需要设计成多种形状来满足生产需要。参考707工作面回风巷的实际地质条件，拟选择“高强、高预紧力让压锚网索耦合支护方法”对707工作面进行现场试验。
5 结论根据该矿以往工作面巷道支护中存在的问题，对影响巷道稳定的因素进行综合分析。同时，对软岩巷道破坏机理及弱冲击压、构造应力对软岩巷道的影响进行了分析，提出高强、高预紧力让压锚网索耦合支护方案。
高强、高预紧力让压锚网索耦合支护系统，不仅可以增加软岩巷道顶板岩层之间的摩擦力，抑制各岩层之间的相对滑动，而且可以使软岩顶板组合成一个强度相对较高的承载体，提高围岩的自承能力。
对弱冲击压煤层采用高强、高预紧力让压锚网索耦合支护，系统中的让压管可以主动吸收一部分巷道围岩的弹性变形能，减小集中应力对锚杆的作用。
[1] 王建宇,胡元芳,刘志强.高地应力软弱围岩隧道挤压型变形和可让性支护原理[J].现代隧道技术,2012(3):45-47.
[2] 田洪铭,陈卫忠,谭贤君.高地应力软岩隧道合理支护方案研究[J].岩石力学与工程学报,2011(11):1376-1382.
[3] 王中文,方建勤,夏才初.考虑围岩蠕变特性的隧道二衬合理支护时机确定方法[J].岩石力学与工程学报,2010(1):54-58.
[4] 刘招伟,王明胜,方俊波.高地应力大变形隧道支护系统的试验研究[J].土木工程学报,2010(5):682-686.
[5] 方新秋,何杰,何加省.深部高应力软岩动压巷道加固技术研究[J].岩土力学,2009(6):729-732.
