破碎围岩条件下矿井巷道支护方案优化研究
叶清文
陕西煤业化工建设(集团）有限公司矿建三公司  陕西 铜川  727000

摘要

在矿产资源采掘过程中，破碎围岩巷道是井下采掘遇到的常见难题。破碎围岩岩体裂隙发育、结构完整性差，围岩自稳能力弱，受采掘扰动影响极易出现顶板垮落、两帮片帮、底鼓变形等灾害，严重威胁井下作业人员安全，制约矿井正常生产。传统支护方案多采用经验设计，支护参数选取不合理，经常出现支护失效、巷道反复维修等问题，增加矿井生产成本。本文结合破碎围岩巷道变形破坏特征，分析巷道支护现存问题，剖析围岩失稳的影响因素，从支护理念、支护参数、支护结构等方面开展支护方案优化研究，提出适配破碎围岩条件的综合支护对策，为同类矿井巷道支护工程提供参考。

关键词

破碎围岩；矿井巷道；围岩变形；支护优化；巷道稳定

一、引言

随着矿山采掘深度不断增加，地质条件愈加复杂，破碎围岩巷道占比持续提升。破碎围岩内部节理、裂隙大量发育，岩体整体性被破坏，围岩自身承载能力大幅下降。巷道开挖之后原始地应力重新分布，在采掘扰动作用下，围岩持续产生变形，若支护措施不到位，容易引发片帮、冒顶、底鼓等事故，不仅造成巷道返修工作量大，还会带来重大安全隐患。

现阶段部分矿山依旧沿用传统刚性支护模式，支护设计依靠工程经验，没有结合破碎围岩实际地质条件开展针对性设计，经常出现支护强度不足或者支护材料浪费的情况。为改善破碎围岩巷道维护状况，降低巷道变形破坏概率，减少后期返修投入，开展破碎围岩条件下矿井巷道支护方案优化研究具有十分重要工程实践价值。

二、破碎围岩巷道变形破坏特征及失稳影响因素

2.1 破碎围岩巷道变形破坏特征

破碎围岩巷道岩体松散破碎，开挖之后变形显现速度快，围岩变形持续时间长。顶板岩层破碎，容易出现碎块掉落，严重时发生大面积冒顶；巷道两帮岩体裂隙发育，受采动影响不断开裂、剥落，产生片帮现象；底板围岩缺少支护约束，会发生明显底鼓，挤压巷道有效使用断面。

破碎围岩巷道变形具有显著的时间效应，开挖初期变形发展迅速，后期变形速率放缓，但不会完全停止。同时采掘扰动会加剧围岩破坏，临近工作面回采时，巷道变形量会急剧增大，原有支护构件容易出现锚杆断裂、锚索失效、喷层开裂脱落等支护失效现象。

2.2 巷道围岩失稳主要影响因素

第一是地质条件因素。围岩本身破碎程度、节理裂隙发育情况、地应力大小直接决定巷道稳定性。高构造应力环境下，破碎围岩更容易发生挤压破坏；当巷道围岩含有软弱夹层时，岩体抗剪强度低，进一步加剧围岩失稳风险。地下水同样会产生不利作用，水会软化软弱岩体，降低岩体之间摩擦力，加速裂隙扩张，造成支护体系荷载增大。

第二是采掘扰动因素。相邻工作面采掘作业会形成应力重新分布，产生动压扰动，使破碎围岩原有裂隙继续扩展，破坏围岩的稳定状态。多次采动叠加影响下，巷道支护承受反复荷载，支护构件容易出现疲劳损伤。

第三是支护设计与施工因素。支护参数不合理，锚杆锚索长度、间距选取不符合地质实际，支护构件不能深入到稳定岩体当中；施工质量不达标，锚杆锚固不密实、预紧力不足，喷浆厚度达不到设计要求，都会造成支护体系整体承载能力不足，难以控制破碎围岩变形。

三、破碎围岩巷道原有支护存在的主要问题

3.1 支护设计偏向经验化，针对性不足

部分矿山破碎围岩巷道支护设计参照普通完整围岩巷道方案，依靠过往工程经验确定支护参数，没有充分考虑岩体破碎程度、地应力、地下水等条件。要么支护强度不足，无法有效抑制围岩变形；要么过度支护，造成材料浪费，提升采掘成本。

3.2 支护形式单一，未能发挥协同作用

原有支护大多采用单一锚杆 + 喷射混凝土支护，刚性支护占比较高。破碎围岩开挖之后会产生一定的允许变形，刚性支护不能适应围岩适度卸压变形，围岩压力直接全部作用在支护体上，很容易出现喷层开裂、支护损毁。只依靠表层支护，没有实现深浅支护结合，无法调动深部稳定岩体共同承担围岩压力。

3.3 锚杆锚索施工质量管控薄弱

破碎围岩钻孔施工过程中容易出现塌孔，造成锚杆锚固段锚固效果差。现场施工经常出现预紧力施加不足的情况，锚杆不能及时对围岩施加主动约束力。锚杆间距过大，破碎岩块容易从支护间隙掉落，引发局部冒顶隐患。

四、破碎围岩巷道支护方案优化对策

4.1 转变支护理念，采用 “卸压‑让压‑协同支护” 思路

破碎围岩支护不能一味追求刚性强支撑，坚持主动支护为主，让压卸压为辅。允许围岩产生适度可控变形释放部分地应力，再利用锚杆、锚索主动加固围岩，把破碎围岩形成组合承载结构，调动深部完整岩体承载能力，实现围岩自身和支护体系共同承担地压，降低支护构件承受的荷载。

4.2 优化锚杆‑锚索协同支护参数

优化锚杆间距、排距，缩小支护间排距，防止破碎岩块垮落；加长锚杆锚固深度，保证锚杆锚固端伸入完整稳定围岩。配套施加足够预紧力，及时约束表层裂隙扩展。锚索作为深部加固构件，锚索长度要穿越破碎区域锚固到深部稳定岩层，实现深浅组合支护。针对破碎严重、塌孔严重地段，选用注浆锚杆，通过注浆浆液充填岩体裂隙，将松散破碎岩体胶结为整体，提升围岩自身强度。

4.3 优化喷浆及金属网支护

提高喷射混凝土施工质量，保证设计喷层厚度，喷射混凝土封闭围岩表面，隔绝空气与地下水，阻止围岩风化破碎。铺设金属网，兜护破碎的碎矸，防止局部岩块掉落。喷层增设伸缩让压性能，避免围岩微小变形直接造成喷层大面积开裂。

4.4 重视底板支护，综合治理底鼓

对于底鼓严重的破碎围岩巷道，改变只修护顶帮的习惯。可以采用底板锚杆、底板锚索进行加固，必要时浇筑混凝土底板，约束底板岩层鼓起变形。控制底鼓之后，改善巷道整体受力状态，减少两帮、顶板的继发性破坏。

五、工程应用效果分析

经过支护方案优化之后，破碎围岩巷道支护体系形成表层防护、中层锚杆加固、深部锚索悬吊、裂隙注浆改良围岩的综合结构。巷道围岩变形得到明显控制，顶板下沉量、两帮收敛量、底鼓量相比原有支护方案显著下降，锚杆锚索失效数量明显减少，巷道返修频次大幅降低。

优化方案既保障井下巷道断面满足通风、运输、行人生产要求，同时避免盲目加大支护材料投入，在保障安全生产前提下，有效降低巷道后期维护成本，取得安全与经济效益双重效果，对同类型破碎围岩巷道具有借鉴意义。

六、结论

破碎围岩条件下矿井巷道围岩裂隙发育、自稳能力差，受地应力和采掘扰动影响极易发生冒顶、片帮、底鼓灾害。传统经验式支护存在设计针对性差、支护形式单一、忽视底板加固、施工管控不严等短板，支护失效现象多发。

针对破碎围岩巷道，应当改变传统刚性支护思路，采用卸压让压与主动协同支护相结合模式。优化锚杆锚索深浅组合支护参数，配合注浆加固、喷网封闭围岩，补齐底板支护短板，同时强化现场施工质量，依托围岩变形监测动态调整支护设计。优化后的综合支护方案能够有效控制破碎围岩巷道变形，减少巷道返修，保障矿山井下采掘作业安全，为破碎围岩巷道支护工程提供可行技术思路。

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