动压影响软岩巷道二次高强锚网索加固技术研究

解志明

(山西煤炭运销集团 临汾分公司，山西　临汾　041000)



动压影响软岩巷道二次高强锚网索加固技术研究

解志明

(山西煤炭运销集团 临汾分公司，山西临汾041000)

摘要某矿II82新回风上山将承受II829-1工作面的强烈采动影响，原支护采取普通锚网支护，巷道破坏严重。通过对动压影响巷道围岩应力场进行数值模拟，结果表明：巷道两帮帮、帮脚以及底板位置是整个支护承载结构的薄弱环节，应对这些部位进行结构补偿。对II82新回风上山提出了二次高强锚网索(控制底鼓)支护技术，方案实施后，Ⅱ82新回风上山承受住了强烈的采动影响，保证了巷道的使用断面，并在工作面回采结束后很快趋于稳定。

关键词采动影响；数值模拟；结构补偿；二次支护

某矿为煤与瓦斯突出矿井，目前，该矿二水平开采深度600 m左右，主要开采8#、9#煤层，其中8#煤层平均厚度10 m左右，9#煤层厚度2～3 m，8#、9#煤层间距约3.2 m. 为防止煤层自燃发火，降低巷道围岩压力，该矿将II2采区上山布置在距9煤30 m左右的底板岩层中，并实施跨上山回采。随着上覆工作面的回采，底板上山在同一区段将承受多次采动影响，一般变形破坏严重。目前，II829-1工作面正在回采，II82新回风上山将承受II829-1工作面的强烈采动影响，若不及时对II82新回风上山进行加固，其受到采动影响后会产生严重变形、破坏，影响矿井安全生产。

1工程概况

II82新回风上山实际埋深590 m左右，围岩岩性以细砂岩和泥岩为主，局部为砂质泥岩、粉砂岩。其中，粉砂岩呈灰-灰白色，成分以石英长石为主，钙泥质胶结，层理较发育。

Ⅱ82新回风上山为直墙半圆拱巷道，原有支护为锚网喷支护，锚网喷支护参数为：设计净断面为4 600 mm×3 500 mm，掘进断面4 800×3 600 mm，采用d22 mm×2 400 mm高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×800 mm. 受上覆工作面的回采以及巷道掘进等因素的扰动影响，巷道出现剧烈变形破坏，具体表现为巷道片顶片帮现象严重，拱顶中部喷层受挤压破裂，肩窝处普遍形成剪切缝，造成巷道顶板整体下沉；巷道两帮在高应力作用下产生剪胀变形，造成两帮严重内移，底板强烈鼓起，严重影响矿井的通风和运输。

2 跨采软岩巷道围岩应力场数值模拟分析

根据Ⅱ82新回风上山采矿地质条件以及新回风上山与其上覆工作面的布置与位置关系，建立平面应变模型，尺寸为：290 m×154 m，共划分45 000个有限差分单元。

本模型的水平边界为固定边界，上边界为应力边界。考虑到模型计算容量的限制，在模型的顶部加11.25 MPa的等效载荷，此等效载荷相当于容重为25 kN/m3、厚度为450 m的上覆岩层。为研究工作面回采过程中，底板软岩巷道围岩变形活动规律，选取工作面位于新回风上山巷道后方水平距离为50 m、30 m，巷道正上方以及工作面位于该巷道前方50 m的位置处对其围岩应力场变化进行数值模拟分析。不同位置下巷道应力场分布示意图见图1.

a) 巷道位于工作面前方50 m

b) 巷道位于工作面前方30 m

c) 巷道位于工作面正下方

d) 工作面推过巷道30 m

由图1a)与图1b)对比可以看出，随着工作面的继续推进，巷道围岩的应力集中程度仍是极不均匀的且差异性比较大，巷道左帮应力集中范围有所降低，而受工作面超前支承压力的影响，巷道右帮应力集中程度以及集中范围都有明显增加；同时巷道底板仍处于比较低的应力状态，低应力区域继续发育，底板应力降低区范围增大，底板变形破坏将持续加剧。由图1c)可见，巷道围岩应力降低区范围继续增大，尤其是巷道左帮以及底板的垂直应力降低更为显著，而且在靠近巷道围岩表面一定范围内右帮应力集中程度稍高于左帮，此时巷道围岩变形以底板的变形破坏为主，巷道底鼓量将继续增大，同时巷道两帮变形破坏也相对较为剧烈，此时要加强两帮及底板的支护，尤其是应对底板采取有效控底措施，以提高帮部以及底板围岩的承载能力和承载性能。由图1d)可见，当工作面推过巷道50 m时，巷道位于采空区下方，造成巷道应力水平有所降低，在巷道围岩一定范围内形成应力降低区，此时有利于巷道的维护。

在工作面整个开采过程中，巷道周边围岩所处的应力状态随着工作面的推进不停地变化，其中巷道两帮帮中和两帮帮脚以及底板位置是整个支护承载结构的薄弱环节，应对这些部位进行结构补偿，从而提高支护承载结构稳定性。

3动压影响巷道二次支护技术方案

对动压影响下软岩巷道的支护采取无限制的让压和硬顶支护都是非常不适宜的，应综合考虑多方面的影响因素，理想的支护形式应该为二次高强稳定型锚网喷支护(控制底鼓)，同时对支护薄弱部位采取结构补偿。由于采用锚网喷支护方式可以在巷道掘进后立即进行施工，并可以与巷道围岩共同形成早期承载能力，充分利用围岩体与锚网喷支护的协同作用，在允许巷道围岩初期有一定变形量的情况下，调整巷道围岩的初期压力，不仅体现了柔性让压支护的特性，还体现出刚性支护的特点。完成初期一次支护后，再对巷道进行二次高强稳定型锚网索补强支护，同时采取合理有效的底板控制技术，加强底板支护强度，从而可以更好地抑制软岩巷道地变形破坏。高强度二次锚网索支护展开图见图2.

一次锚网支护可按扩修前原有巷道支护方式施工。选用d22 mm×2 400 mm高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×800 mm，配套托盘采用200 mm×200 mm×10 mm方形球面型托盘。若采用风钻打眼，因其孔径为d32 mm，故每个锚杆孔采用K2950和Z2950树脂锚固剂各1支；若采用锚杆钻机打眼，因其孔径为d28 mm，故每个锚杆孔采用K2350和Z2350树脂锚固剂各1支。两帮底角锚杆向下扎角20°，辅助控制巷道底鼓，锚杆预紧力矩应不小于300 N·m. 金属网采用d6 mm自连式冷拔电弧焊钢筋网，规格为2 600 mm×900 mm，网格为100 mm×100 mm. 在锚杆托盘与钢筋网之间沿巷道周向布置钢筋梯子梁。当支护构件安装完毕后，在巷道表面喷射厚度为50～100 mm，标号为C20混凝土。

图2 高强度二次锚网索支护展开图

在一次锚网支护两排锚杆间实施高强度二次锚网索支护，二次支护时机应避开巷道剧烈变形阶段，一次支护扩修巷道施工完毕后，根据测点围岩监测结果，巷道围岩在10天左右得到稳定，此时进行二次锚网索加固，高强度二次锚网索支护采用A、B两种支护断面相间布置，锚杆规格d22 mm×3 000 mm，间排距800 mm×800 mm.采用d21.6 mm×6 300 mm小孔径高强预应力锚索实施结构补偿，不仅提高了锚网基本支护形成组合梁或组合拱结构的抗弯能力及浅部围岩的稳定性，而且能够有效发挥深部稳定岩体的承载能力。当支护构件安装完毕后，在巷道表面喷射标号为C20混凝土，喷层厚度将钢筋金属网盖住即可。

根据现有巷道底鼓特征，在巷道底板布置4根d21.6 mm×5 000 mm锚索，排距1.2 m，锚索托盘为300 mm×300mm×16 mm大托盘。每根锚索孔使用3支Z2350树脂锚固剂，并采用树脂和灌浆联合锚固方式，提高锚索对软岩巷道底板的锚固效果，底板锚索预紧力不低于100 kN.

4支护效果分析

对Ⅱ82新回风上山采用上述高强稳定形支护技术方案后，在新回风上山相应位置布置观测测站，从测站布置之日起进行矿压观测。从观测结果可以看出，在受上覆Ⅱ829-1工作面开采影响前，巷道表面变形量较小，但是随着上覆工作面的推进，新回风上山逐渐受到工作面的采动影响，巷道表面位移量明显增大。巷道变形以顶底板移近量和两帮内移量为变形标志，是能够反映巷道围岩稳定状况和支护效果的综合指标。观测结果见图3.

图3　巷道围岩变形监测结果示意图

由图3可以看出，在围岩变形观测期间，巷道底鼓量较大，其次是两帮，顶板变形量最小。工作面回采初期，测站受工作面超前支承压力的作用较小，巷道围岩变形量基本为零。当工作面位于测站后方约200 m处位置时，巷道围岩出现微小变形，但底板变形量稍大；随着工作面的推进，处于测站后方170 m处时，巷道顶底板以及两帮出现较为明显的变形，尤其是巷道底板底鼓量达到40 mm.随着工作面的继续推进，巷道矿压显现逐渐明显，巷道受工作面超前支承压力的影响越来越强烈，进入剧烈采动压力影响阶段，巷道表面变形量也随着工作面距巷道距离的减小而逐渐增大。当工作面处于测站约正上方位置时，巷道围岩变形量缓慢增大，随着工作面的远离，巷道围岩变形量基本保持不变，逐渐趋于稳定。整体来看，上覆工作面回采期间，底板的变形量一直处于最大，两帮变形次之，顶板变形量较小。

在整个工作面回采期间，顶底板移近量累计为299 mm，巷道两帮移近量为200 mm左右。从现场支护情况以及长期观测结果来看，在上覆Ⅱ829-1工作面回采过程中，Ⅱ82新回风上山能够承受强烈的采动影响，保证了巷道的使用断面，并在工作面回采结束后很快趋于稳定。实践证明，该围岩结构强化技术方案能够有效地控制此类动压影响软岩巷道的强烈变形，巷道维护状况良好。

5结论

II82新回风上山将承受II829-1工作面的强烈采动影响，原支护采取一次锚网支护，巷道出现剧烈变形破坏。动压影响巷道围岩应力场数值模拟表明：在工作面整个开采过程中，巷道周边围岩所处的应力状态随着工作面的推进不停地变化，其中巷道两帮帮中和两帮帮脚以及底板位置是整个支护承载结构的薄弱环节，应对这些部位进行结构补偿，从而提高支护承载结构稳定性。对动压影响下软岩巷道的支护最为理想的支护型式应该为二次高强稳定型锚网喷支护(控制底鼓)，同时对支护薄弱部位采取结构补偿。对II82新回风上山提出了二次高强锚网索(控制底鼓)加固方案，方案实施后，在整个工作面回采期间，顶底板移近量累计为299 mm，巷道两帮移近量为200 mm左右。Ⅱ82新回风上山能够承受强烈的采动影响，保证了巷道的使用断面，并在工作面回采结束后很快趋于稳定。实践证明，该围岩结构强化技术方案能够有效地控制此类动压影响软岩巷道的强烈变形，巷道维护状况良好。

参考文献

[1]樊克恭，翟德元.巷道围岩弱结构破坏失稳分析与非均称控制机理[M].北京：煤炭工业出版社，2004:133-135.

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[3]童义学.软岩巷道二次支护技术的应用[J].煤炭科学技术,2004,12(4):89-92.

·试验研究·

(E-mail)cumt_caoming@126.com

Study on the Secondary High-strength Reinforcing Technology for

Soft Rock Roadway with the Effect of Dynamical Pressure

XIE Zhiming

AbstractⅡ82 air return roadway in a coal mine will bear the strong mining influence of Ⅱ829-1 working face. The original support is common bolt net support and The roadway destruction is serious,Based on the dynamic pressure effect of roadway surrounding rock stress field numerical simulation,the result show that the weakness lies in the middle and foot of the working slope as well as the bottom floor,To deal with these structural compensation.Secondary high-strength reinforcing (floor heave control) support technology is put forward and applied for Coal mine Ⅱ82. Finally, it has succeeded in bearing the violate mining influence, ensuring the using sections in roadway,and it tends to be stable soon after the end of face mining.

Key wordsMining influence; Numerical simulation; Structure compensation; Secondary support

作者简介：代卫(1983—)，男，河南商丘人，2012级河南理工大学在职研究生，助理工程师，主要从事煤矿开采生产技术和安全管理工作

收稿日期：2015-02-28

中图分类号：TD353

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)04-0027-04