深部厚顶煤巷道高预应力锚索梁支护优化技术研究＊

王 琦 李海燕 江 贝 王德超 李为腾 李 智

（1.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东省济南市，250061；2.山东科技大学土木建筑学院，山东省青岛市，266590；3.山东科技大学资源与环境工程学院，山东省青岛市，266590）

深部厚顶煤巷道高预应力锚索梁支护优化技术研究＊

王 琦1，2李海燕1江 贝3王德超1李为腾1李 智1

（1.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东省济南市，250061；2.山东科技大学土木建筑学院，山东省青岛市，266590；3.山东科技大学资源与环境工程学院，山东省青岛市，266590）

赵楼煤矿3302轨道巷为埋藏千米的深井巷道，在原支护条件下顶板沉降量大，围岩变形严重。针对此，采用钻孔窥视仪及地质雷达探测了巷道围岩的破裂区域，并对松动破坏规律进行了分析。根据探测结果，提出了高预应力锚索梁支护优化方案，利用离散元数值软件UDEC对方案优化前后的围岩裂隙分布及锚杆（索）受力进行了分析。数值模拟及现场监测结果表明，提高锚杆（索）预紧力可有效地控制锚固区内顶板离层，增强顶板的完整性；高预应力锚索梁支护方案显著改善了巷道围岩控制效果。

厚顶煤 深部巷道支护 松动破坏圈 数值模拟 高预应力锚索梁

巷道支护的效果是影响煤矿安全生产的主要因素之一。针对不同的地质条件，探究经济合理有效的支护技术，对我国的煤矿安全生产具有重要的意义。然而，随着煤矿开采逐渐向深部延伸，“三高一扰动”的复杂地质力学环境对深部煤巷的支护提出了更高的要求。单一锚杆、锚索等常规支护方式下，经常出现锚杆拉断或整体失效、锚索拉断或整体滑落、顶板变形过大、局部顶板冒落等现象。针对单一支护方式存在的不足，锚网索、锚梁网索等联合支护形式在深井复杂巷道中得到广泛应用，并取得了良好的支护效果。本文在探测赵楼矿煤巷顶板松动破坏范围、分析其破坏规律的基础上，采用高预应力锚索梁进行支护优化设计，并在赵楼矿3302轨道巷进行了现场工业性试验。

1 工程地质概况

赵楼煤矿3＃煤层埋深约990m，厚度5～8.5m，平均煤厚7.8m，煤层普氏系数f为0.8～2.3，平均1.6。3302工作面轨道巷沿煤层底板掘进，为典型的深部厚顶煤巷道。巷道直接顶为粉砂岩，部分区段含有泥质砂岩与泥岩互层，煤岩交界面粘结力低，离层明显。地应力实测资料表明：该区地压大，最大水平地应力为36.4MPa。地层条件极为复杂，存在多处断层构造。在原支护条件下，巷道顶板控制效果不理想，顶板变形严重，网兜现象明显，部分区段顶板沉降量达到384mm，锚杆、锚索折断现象时有发生。

2 围岩松动破坏范围探测

利用巷道松动破坏范围探测方法，根据煤巷掘进进度，分别采用钻孔窥视仪和地质雷达对3302轨道巷进行了3个断面的围岩破坏模式和松动范围探测。

2.1 钻孔窥视仪探测结果

采用钻孔窥视仪在3302轨道巷进行了探测工作。根据提取的钻孔内视频图像，对孔壁裂隙、形态、数量等进行统计分析。结果显示围岩松动破坏带深度在2.6～3.2m之间，部分探测结果如图1所示。

图1 钻孔裂隙及结构面视频截图

2.2 地质雷达探测

采用美国劳雷SIR－3000地质雷达主机及400 MHZ天线在3302轨道巷进行了3个断面的地质雷达探测工作。由于篇幅所限，现仅列出3＃断面地质雷达顶板横向探测的雷达波形图，见图2。图2中左侧轴为时间，右侧轴为深度，横轴为移动距离，白色线为松动破坏分界线，围岩松动破坏带深度在2.8～3.1m之间。

图2 3＃断面顶板雷达波形图

2.3 围岩破坏规律

根据钻孔窥视仪和地质雷达探测结果，典型监测断面（1＃、2＃断面）围岩内部最后的裂隙带和松动破坏区域分布如图3所示，用粗线包围起来的破坏严重区域即为松动破坏圈。

图3 监测断面围岩破裂区分布

根据两种仪器探测结果，巷道围岩松动破坏圈深度统计见表1。

表1 巷道围岩松动破坏深度统计

由表1可知，采用钻孔窥视仪与地质雷达结合的方式探测轨道巷顶板及两帮破坏规律如下：

（1）围岩由表及里破坏程度依次减弱，并形成多个破裂区，其中前两个破坏区破坏严重，是传统的破坏松动圈，对巷道稳定性影响较大，为重点支护对象。

（2）顶板松动破坏圈范围大于两帮，最大破坏深度3.1m，最小2.65m，平均2.71m，两帮煤体破坏深度平均1.9m。

（3）松动破坏圈范围与顶煤厚度和煤岩参数有关，顶煤较厚时松动破坏圈也相应增大。

3 支护方案优化设计

3.1 原支护方案

顶部支护采用锚网＋钢带＋锚索的锚梁网索支护形式，帮部采用锚网支护，并铺设钢筋梯护表。顶部采用ø22mm×2400mm KMG500左旋无纵筋螺纹钢锚杆，预紧力50kN，帮部采用ø20mm×2000mm的KMG400左旋无纵筋全螺纹锚杆，预紧力30kN，顶板及两帮锚杆间排距为800mm×800mm；锚索型号为ø17.8mm×5800mm，预紧力100kN，间排距1800mm×1600mm。采用U型钢带支护顶板，长度为4300mm，钢带宽为140 mm，厚为10mm。

3.2 高预应力锚索梁方案

研究表明，锚杆、锚索预应力及其扩散效果在煤巷支护中起决定性的作用，根据巷道地质条件确定合理的预应力，并使预应力实现有效扩散是支护设计的关键。提高原支护方案中锚杆锚索预应力，能够提高围岩峰后强度与自承能力，改善锚索在巷道顶板中的扩散效果。根据3302轨道巷地质资料及围岩松动破坏范围探测，采用高预应力锚索梁方案进行巷道支护优化设计。

高预应力锚索梁方案：顶部支护采用锚网＋钢带＋锚索＋矿用工字钢的支护形式，锚杆长度与型号均与原支护相同，顶锚杆预紧力提高为70kN，帮锚杆预紧力提高为50kN，锚索型号为ø22mm×6200mm，间排距为1380mm×1600mm，工字钢与锚索联合支护，预紧力提高为150kN。

3.3 数值模拟分析

根据赵楼煤矿实际工程概况，采用UDEC离散元数值模拟软件，取典型地质断面分别对原支护方案和高预应力锚索梁方案进行对比研究。根据现场煤岩试样力学实验及参数反演，结合地应力测试数据进行建模，模型中岩体材料模拟采用摩尔—库伦准则，采用高预应力锚索梁方案优化后的围岩裂隙分布及锚杆（索）受力分布见图4。

图4 优化方案围岩裂隙分布及锚杆（索）受力分布

通过对比分析UDEC计算结果可得出如下结论：

（1）高预应力锚索梁方案对顶板离层和巷道围岩的控制效果明显优于原支护方案，巷道顶板沉降量和两帮移近量明显减少。

（2）高预应力锚索梁方案通过锚索与工字钢的联合作用，增大了锚索的应力扩散效应，使上覆岩层形成连续受压区，扩大了巷道顶部受压区域面积，将受压区域扩大至巷道正上方之外的区域，有效防止了巷道顶板整体跨落。

（3）通过增加锚杆预应力消除了上覆岩层的松散变形和顶板中部的拉伸破坏，有效控制了锚固区范围内的顶板离层，形成预应力承载结构；通过高预应力锚索的补强作用，将锚固区内的预应力承载结构固结在深部稳定岩层中，有效保证了顶板的整体稳定性。

4 优化方案实施及监测

为检验优化后的支护方案在巷道支护中的实际控制效果，在3302轨道巷内实施了高应力锚索梁方案，并进行了监测，两类支护方案巷道表面位移随掘进时间变化的监测曲线见图5。从图5中可以看出，支护方案优化后的巷道表面位移明显减少，顶板和两帮未出现大的下沉和帮部内移现象，最大顶板沉降量和两帮移近量分别为187mm和225 mm，顶板及两帮变形量均在控制范围内，观测结果表明，采用新的支护方案后，巷道收敛明显变小，围岩整体稳定性良好。

图5 巷道表面位移监测结果

5 结论

（1）通过钻孔窥视仪和地质雷达对深部厚顶煤巷道围岩的破坏规律进行探测，得到围岩由表及里形成多个破裂区，前两个破坏区破坏严重，为松动破碎圈。松动破碎圈都分布在煤层和底板泥岩中，其中顶板破坏平均深度2.71m，两帮煤体破坏深度平均1.9m。

（2）数值模拟结果显示高预应力锚索梁方案可有效增大锚索的应力扩散效果，减小塑性区面积，有效防止了巷道顶板整体跨落；明显地提高了锚杆（索）预应力对围岩控制。

（3）现场实践结果表明，采用高预应力锚索梁方案进行支护的巷道收敛明显减小，顶板及两帮未出现大的下沉和两帮内移现象，巷道整体支护效果良好。

［1］ 韦玉沛，于士芹.深部复杂条件下沿空掘巷锚网索支护技术研究［J］.中国煤炭，2005（12）

［2］ 王旭宏，王玉怀，夏欢阁等.复杂条件下回采巷道锚网索支护参数优化研究［J］.中国煤炭，2010（3）

［3］ 康红普，司林坡，苏波.煤岩体钻孔结构观测方法及应用［J］.煤炭学报，2010（2）

［4］ 宋宏伟，王闯，贾颖绚.用地质雷达测试围岩松动圈的原理与实践［J］.中国矿业大学学报，2002（4）

［5］ 康红普，林健，吴拥政.全断面高预应力强力锚索支护技术及其在动压巷道中的应用［J］.煤炭学报，2009（9）

［6］ 张镇，康红普，王金华.煤巷锚杆－锚索支护的预应力协调作用分析［J］.煤炭学报，2010（6）

Optimization of high－prestressed anchor cable beam supporting technology in deep coal roadway with thick top－coal

Wang Qi1，2，Li Haiyan1，Jiang Bei3，Wang Dechao1，Li Weiteng1，Li Zhi1
（1.Geotechnical and Structural Engineering Research Center，Shandong University，Ji＇nan，Shandong 250061，China；2.College of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China；3.College of Resources and Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China）

No.3302roadway in Zhaolou coal mine belongs to the deep roadway with the depth of 1000m.Because of the large settlement under the original supporting conditions，the surrounding rock was deformed seriously.The fractured zones of surrounding rock were monitored by the borehole camera and the ground penetrating radar，and the loosening and failure laws were analyzed.Based on the monitoring data，the high－prestressed anchor cable beam was proposed as an optimized supporting plan.The crack distribution of surrounding rock and the forces on the anchor bolt or cable before and after the support optimization were analyzed using Universal Distinct Element Code（UDEC）software.The results from numerical simulation and the field monitoring data showed that the increase of pre－stress on the anchor bolt or cable could validly control the roof separation in the anchorage zone and maintain the integrity of roof，indicating that the high－prestressed anchor cable beam could effectively improve the control effect on the surrounding rock in roadways.

thick top－coal，support for deep roadway，loose circle，numerical simulation，high－prestressed anchor cable beam

TD353

B

国家自然科学基金青年科学基金（50904043）；山东省自然科学基金面上项目（ZR2009FM009）

王琦（1983－），男，山东临沂人，博士研究生，讲师，主要从事地下工程支护材料及技术方面的研究。

（责任编辑 张毅玲）