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　　【摘要】为解决深井高应力软岩巷道出现的围岩大变形和支护问题，以邢东矿-980大巷为例，采用现场调研、数值模拟、井下试验等方法，分析围岩大变形等级和变形破坏机理。研究认为其破坏的主要因素有围岩裂隙发育且敏感性强、高地应力、复杂地质构造、水理作用，确定其属于应力扩容膨胀型(HJS)复合地质软岩。巷道变形破坏动态过程为：围岩裂隙发育、强度低(高应力扰动作用下)-形成大范围破碎带-水理、复杂地质构造及流变特性-大变形失稳。基于上述研究，提出以高强锚网索、可缩性环形支架、注浆加固为核心的多层次耦合支护系统，分析具体支护形式与围岩的耦合作用机理，并进行支护参数设计。工程实践表明：-980大巷扩修60d后围岩变形速率降至1mm/d，顶板最大收敛值193mm，两帮最大收敛值114mm，底板最大收敛值151mm，实现了深井软岩巷道稳定性控制。
　　【关键词】软岩巷道；深井；变形破坏机制；多层次耦合支护
　　我国很多矿区陆续进入深部开采状态，深部巷道所处的"三高一扰动"复杂环境使得围岩呈现出围岩变形量大、变形速率快、持续时间长、破坏性强、支护体损毁严重等非线性大变形现象，巷道维护异常困难，采用常规支护形式难以保证巷道稳定。我国的淮南、邢台、开溧、兖州等多个煤炭基地都存在深井软岩巷道控制难题[1]。
　　近年我国专家学者在深井软岩巷道控制方面进行了不断探索与实践。袁亮等[2]提出了深部岩巷围岩稳定控制理论，并针对深部岩巷围岩分类标准体系形成了相应的深部围岩控制技术体系。孙晓明等[3]提出了与深部软岩巷道在强度、刚度和结构上相匹配的锚网索耦合支护技术和柔层桁架支护技术。康红普等[4]提出了高预应力、强力支护理论，开发了相应的高预应力强力支护系统。柏建彪等[5]认为深部巷道围岩控制的基本方法是提高围岩强度、转移围岩高应力以及采用合理的支护技术。何富连等[6]提出采用高预应力高强锚杆、顶板桁架锚索和煤帮锚索-槽钢桁架联合支护技术进行深井软岩大跨度巷道围岩控制。然而由于深部巷道围岩性质、力学环境、地质工程条件的差异性较大，各种支护技术均存在局限性，对于特定条件下的巷道围岩赋存特点及矿压显现特征，需采取针对性的支护理念和控制措施。
　　邢东矿-980大巷埋深超过1000m，巷道掘进和支护过程中顶板剧烈下沉并多处冒落、帮部明显挤出、强烈底鼓、锚杆(索)扭弯失效等非线性大变形现象突出。本文针对-980大巷存在的大变形破坏现象，综合采用现场调研、理论分析、数值计算、井下试验等方法，研究其变形破坏机制，在此基础上针对性地提出多层次耦合控制技术及支护方案，并在-980大巷进行工业性试验。
　　1工程概况
　　-980大巷是邢东矿二水平采区轨道运输、行人和通风的永久性大巷，巷道全长383m，设计断面直墙拱形，宽x高=4.5mx3.5m,埋深1040m,属于深
　　部高应力巷道。初期支护为锚网喷支护，选用022mmx_L2400mm的MG335硅锰钢螺纹锚杆，间排距800mmx800mm,选用2卷Z2360锚固剂；014mm钢筋梯子梁，06mm冷拔丝金属网，喷浆选用C20混凝土，初喷、复喷均50mm,仅构造复杂段选用021.8mmxi6500mm钢绞线锚索加强支护，如图1。二次整修改用022mmxi3000mm的MG500硅锰钢螺纹锚杆进行锚喷支护，局部地段増设反底拱结构。
　　-980大巷开掘不久便出现围岩大变形和支护失效现象：顶板剧烈下沉，构造复杂地段出现垮冒事故；两帮围岩挤出变形严重，尤以中部偏上部位变形最为突出，严重地段两帮移近量近1.0m；整体底鼓严重，变形后底板呈倒三角形，底板变形多由巷道中间开始，两边随后出现裂缝，裂缝沿巷道走向延伸；锚杆扭弯、松动、脱落，托盘损坏，钢筋梁压弯，钢筋网撕裂，衬砌开裂现象普遍，局部甚至出现锚索剪断现象。-980大巷先后进行多次整修仍无法控制围岩大变形，不得不安排专门巷修队伍对-980大巷进行不间断的整修。由图2可见，-980大巷围岩变形具有变形量大、持续时间长、返修率高、破坏性强、自稳时间长等特点。
　　2深井高应力软岩巷道变形破坏机制分析
　　2.1工程难度评价及围岩大变形分级
　　文献[7]提出采用难度系数Df表示深部地下工程稳定性控制的难易程度，其关系式如下：
　　Df=Jk⑴
　　式中：H为地下工程实际深度；为深部工程的临界深度。-980大巷埋深近1000m，开采揭露的岩性主要为粉砂岩岩组，其第一临界开采深度为800m，代入式(1)，可得软化难度系数为1.2，围岩处于非线性大变形工作状态，属于较难支护的工程。
　　文献[8]以巷道表面位移与跨度之比-岩体强度与最大初始地应力之比作为判定指标，对软岩巷道围岩大变形进行等级划分，如图3。-980大巷平均表面位移量500?600mm，巷道跨度为4500mm，收敛应变比11%~13%；围岩强度与最大初始地应力的比值在0.15以内。-980大巷围岩变形处于图3中五区，围岩处于极其严重的挤压变形状态中。
　　'<1%，稳定
　　'=1%?2.5%,轻微挤fR变形问题；o=2.5%~5%，严重挤压变形问题r=5%~10%，非常严重挤所变形问题'>10%,极U:严重挤HI变形问题
　　0.10.20.30.40.50.6
　　°CJPS)
　　2.2-980大巷维护特点分析
　　通过对-980大巷地质生产条件、巷道围岩特征及矿压显现特征现场调研，分析得出-980大巷维护特点如下：①围岩裂隙发育，敏感性强。-980大巷工程岩组以2#煤层、泥岩、粉砂岩为主，围岩节理裂隙发育，强度低，自稳能力差，易受工程扰动作用而破碎；-980大巷经历多次整修，且其位于二水平巷道群，长期受到相邻巷道开挖及开采的强烈扰动，造成围岩大范围松散破碎。②巷道埋藏深
　　度大，地应力高。-980大巷平均埋深1040m，仅自重应力可达25MPa;由于断层褶曲构造发育，构造应力突出，最大水平应力为40?60MPa，巷道开挖引起的集中应力可达60~80MPa，而围岩强度保持较低应力值，高应力与围岩低强度间的突出矛盾必将造成围岩大变形[2]。③地质构造复杂，局部围岩破碎。-980大巷掘进过程中揭露褶曲、断层小构造较多，对巷道稳定性影响较大的断层有5条，其中SF17,F22断层最大落差分别为12m和45m，其与-980大巷轴向夹角30°?60°，断层的普遍存在増大了围岩破碎程度和支护难度，这也是-980大巷掘进支护期间多次发生冒顶、垮帮的主要原因。④水理作用。-980大巷底板为砂质页岩或泥质胶结的粉砂岩，含伊利石、蒙脱石成分，围岩具有明显膨胀性，对水、空气敏感性强；而-980大巷底板未及时铺设水沟，围岩长期处于浸泡状态，底板膨胀变形显著(图2b)。
　　2.3-980大巷变形破坏机制分析
　　由上述分析知，-980大巷属于高应力-膨胀性-节理化(HJS)的应力扩容膨胀型复合地质软岩[9]，力学变形机制为高水平构造应力、自重应力及高工程偏应力、蒙脱石和微裂隙膨胀、断层和随机节理共同作用的IACIIABDIIIABE复合型变形力学机制。其中，高应力与相对较低的岩体强度是-980大巷破坏失稳的根本原因，复杂地质构造、水理作用等则进一步加剧了围岩大变形破坏。
　　综合现场调研和分析，认为-980大巷围岩失稳和支护失效的动态过程为：巷道开挖在围岩中产生高应力，由于围岩强度较低、敏感性强，围岩短时间内不可避免地形成较大范围的破碎区和塑性区，造成围岩强度衰减，局部受复杂地质构造和水理作用围岩破坏更加显著；同时由于-980大巷围岩变形具有强烈的时效性，巷道长期处于等速蠕变状态，而原有支护中锚杆索强度、长度偏低，底板支护强度不足等，未能对巷道各个部位进行有力支护，破碎围岩向自由面强烈挤出，产生较大收敛变形，甚至出现垮帮、冒顶等事故，支护系统严重损毁。以上各种因素相互影响、相互促进，恶性循环，最终导致巷道全断面失稳、无法使用。-980大巷围岩变形破坏机制如图4所示。
　　由上述分析可知，采取合理的支护措施大幅度提高围岩承载能力，控制和弱化高应力对围岩的破坏作用，并同时采取底板加固、破碎围岩修复等综合措施方可实现-980大巷围岩稳定性控制。
　　显著等特点，且底板在高水平构造应力作用下容易发生底鼓变形(图2b)，因此，有必要在强力锚杆索支护系统的基础上采用封闭式环形支架进行二次支护。可缩性环形支架虽为被动支护，但其具有封闭性、可缩性等特点，可实现支架围岩有效耦合[12]：①环形支架架设初期，支架与围岩间的预留空隙可实现围岩变形能的二次释放；②随着围岩变形发展，变形较大部位围岩与环形支架首先接触并将变形压力施加到支架上，环形支架为封闭式立体结构，可将局部变形压力传递到整个支架上，避免局部过载造成支架破坏；③当巷道围岩进入流变变形阶段，支架与围岩可充分接触，支架以高支护阻力限制围岩变形发展，同时可实现底板高水平应力向帮部低应力区的转移、扩散，降低底板应力集中程度，限制底板围岩变形。
　　图6为"锚杆索支护"和"锚杆索+可缩性环形支架"2种支护形式下围岩主应力差分布云图。其中，锚杆为022mmxi3000m超强左旋螺纹钢锚杆，间排距0.8mx〇.8m；锚索规格为021.8mmx_L8500mm，间排距2.0mx1.6m，环形支架米用带有shell结构单元体模拟。
　　由图6a可知：锚杆索支护下顶板、两帮卸压范围约1.2m，底板卸压范围约1.6m;主应力差峰值带位于围岩深部3.0?3.5m处，锚杆仅有部分锚固在稳定围岩中；各部位围岩应力集中程度相差较大，两帮应力集中程度最高(11.5MPa)，顶底板围岩次之(9.4MPa)。采用大吨位可缩性环形支架后(图6b)，通过支架与围岩的充分接触，可向围岩提供高侧向压力，实现了浅部围岩真正意义上的三向受力，提高围岩残余强度，控制围岩变形，并实现围岩中高集中应力向低应力区的转移、扩散，此时，底板卸压范围约为0.1m，主应力差峰值带转移至浅部围岩1.2m处，峰值应力降为10.6MPa，且峰值带均匀分布于巷道四周，锚杆锚固在稳定岩层
　　中。图7为封闭式环形支架主应力差分布图。由图可以看出：环形支架整体处于受压状态，顶板、两帮、底板主应力差值分别为11.4，12.6，10.5MPa，
　　应力差距不大且保持较低应力值，支架处于稳定工作状态。