深部破碎岩层巷道支护技术研究

董尹庚

(神华包头矿业有限责任公司 李家壕煤矿， 内蒙古 鄂尔多斯 017000)



深部破碎岩层巷道支护技术研究

董尹庚

(神华包头矿业有限责任公司 李家壕煤矿， 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

[摘要]针对深部破碎岩层巷道支护困难的问题，探讨了深部围岩耦合支护机理：二次承载圈通过一次支护锚杆锚固端为一次承载圈提供力源；一次承载圈对二次承载圈的变形进行约束，阻止二次承载圈内围岩进一步破坏；一次承载圈和二次承载圈的协调变形能够压实、强化一次承载圈，释放二次承载圈的部分变形能。通过数值模拟对巷道支护合理性进行验证，结果表明：巷道两帮应力集中现象明显降低、屈服范围大大减小，顶底板和两帮移近量得到了有效控制。

[关键词]深部破碎岩层巷道；承载圈；数值模拟

在深部岩体中进行开挖后，巷道围岩中出现应力集中，在深部高地应力作用下巷道围岩产生破坏。由于深部岩石的“三高一扰动”复杂环境，使深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应均发生根本性变化[1-3]。王卫军提出了采用高强锚杆、强力锚索、注浆加固巷道的高阻让压和高强度支护技术，并确定了各支护阶段的支护时间[4]。刘泉声采用分步联合支护，掘进工作面帮顶超前支护、一次支护和二次支护互相配合，喷锚注等多种手段共同实现开挖施工安全和围岩稳定的控制[5]。祁和刚等提出了采用地应力原位测量，分析地应力与巷道稳定性的关系及破坏原因，确定了巷道的支护参数[6]。余伟健等提出由锚杆支护压缩拱和密集锚索支护压缩拱构成的承载体力学模型，推导了一次支护和二次支护的支护结构的强度方程[7]。由于深部破碎岩层巷道的复杂性，尽管相关学者针对深部巷道支护技术的研究取得了一定的成果，但仍需进一步研究深部破碎岩层巷道的支护。

本文分析了两次支护各自对围岩的力学作用，探讨了双承载结构间力学作用关系，提出了深部破碎围岩巷道支护方案。通过数值模拟对深部巷道围岩应力分布、破坏变形规律进行研究，对支护的方案进行验证。研究结果可为深部破碎岩层巷道支护提供参考。

1深部破碎岩层巷道支护存在的问题

实践表明，深部巷道围岩通常会在巷道周围产生一定深度的“破碎圈”。破碎的围岩导致支护施工困难、支护效果较差。因此深部巷道应对此类巷道进行研究，进而确定相应的支护控制技术。

1.1深部巷道围岩条件分析

对李雅庄矿355运输大巷调查分析发现，巷道围岩具有薄层状、碎裂、松散、膨胀、强风化蚀变和高地应力作用等特征，属于典型的软岩巷道。岩层力学参数如表1所示。

表1　岩层力学参数

1.2深部巷道支护存在的问题

深部巷道由于其埋藏较深，巷道围岩处于高应力状态，很难通过目前的支护材料实现一次性支护控制其围岩变形。可用如图1所示支护体-围岩共同作用关系曲线解释。

图1　支护体-围岩共同作用关系曲线

如图1中，对于一般巷道，支护材料极限破坏强度大于所支护围岩可施加的围岩压力，通常情况下可以通过一次支护对围岩变形进行控制。对于深部巷道(由深部巷道不支护变形阶段、深部巷道一次支护变形阶段、深部巷道二次支护变形阶段三部分构成)，一次支护后支护材料的临界破坏强度仍小于达到巷道变形施加的围岩压力，因此通常需要二次支护。

尽管深部巷道在一次支护后不能完全控制围岩的变形，但是一次支护后围岩整体的承载性能发生了改变，围岩特性曲线也发生了变化。此时，巷道围岩变形除了与围岩的力学性质及地压特点有关，还与一次支护材料、支护形式有关。

可以看出：较早地施加支护可以较早地改变特性曲线，提高支护体利用率；由于一次支护后巷道围岩性质发生了改变，在一次支护后围岩适当变形卸压后进行二次支护，可以实现对围岩变形的控制。

在确定支护方式后，应当对支护材料、支护技术进行针对性地研究。

2深部破碎岩层巷道变形及支护机理

2.1深部岩层巷道支护技术

由于巷道具有强风化、蚀变、破碎、松散的特征，因此对于破碎围岩巷道首先考虑提高破碎围岩整体的自承能力，并阻断围岩表面与水和空气的接触。在顶板和侧帮上部使用焊接网或金属网及大变形锚杆进行支护，并加喷混凝土(厚50mm左右)，阻止破碎岩体垮落。其中，锚杆支护提高岩块间的挤压力，增加了岩块间的啮合程度，提高围岩破碎区域整体强度；锚网及喷浆提高了巷道表面的完整性，改变了围岩的受力状态。

产房、保育及育肥前期是最需要保暖的地方，特别要注意猪舍温度的稳定，不能温差过大 （不超过5℃），造成仔猪应激，引起疾病。保育和产房要储备一定量的电热板和取暖灯，以防有损坏并能及时的补充上。育肥前期的猪只可铺垫草或垫板取暖。同时，应准备额外的例如燃油暖风机等临时加温机器，以备临时升温用。

由于巷道围岩处于高应力状态，一次支护的支护强度往往不足以控制围岩的破坏，因此巷道深部围岩发生较大变形并进入塑性区，在本矿表现为围岩破碎范围增大。在巷道变形相对稳定后，应当选择合理的支护方式，对巷道进行二次支护。选用注浆锚杆及锚索进行支护，注浆实现了在巷道破碎带围岩形成一个整体性较好、足够强度的自撑承压环。

此外，如图2所示，二次支护还采用锚索支护，使锚杆支护形成的承载拱与深部围岩联系起来，实现更大范围利用围岩自承能力的承载圈抵抗深部高应力。而二次支护的支护力和破碎圈外完整围岩变形可以对一次锚杆支护破碎圈提供更大的压实作用力，提高一次支护承载圈的承载强度。

图2　双承载拱耦合作用机理

2.2深部破碎岩层巷道双承载拱支护机理

双承载圈的作用机理为：一次支护锚杆锚固端为一次承载圈提供力源；一次承载圈对二次承载圈的变形进行限位约束，阻止二次承载圈内围岩进一步破坏；一次承载圈和二次承载圈的协调变形压实、强化了一次承载圈，释放了二次承载圈的部分变形能。

叠加拱承载能力可按下式计算[5]：

(1)

通过公式(1)结合地应力原位测试或支护后巷道变形监测等手段可以对锚杆锚索长度、参数进行合理选型。

3深部巷道支护模拟分析

采用FLAC3D软件，模型为弹塑性材料，依据摩尔-库仑屈服准则对矿井355大巷进行了数值模拟。模型尺寸为巷道轴部方向20m，水平方向40m，高度方向35m。

巷道布置在煤层顶板中，平均埋深500m。在模型顶部采用均布载荷的方式对模型进行加载。

3.1一次支护前巷道变形破坏分析

一次支护前巷道变形破坏如图3所示。由图3可知，顶板破坏深度2.0m，底板破坏深度1.0m，两帮破坏范围1.5m，据此结合相关理论确定顶锚杆长度应取2.5m，帮锚杆长度应取2.0m。

图 3　一次支护前巷道铅垂应力及屈服范围

可以看出，深部巷道在不支护的状态下围岩破坏范围较大。因此，模拟在巷道围岩中打锚杆，进行一次支护；适当变形后在顶板打锚杆及锚索对顶板进行二次支护。

3.2合理支护后深部巷道变形破坏分析

经过对未支护深部巷道应力分布、围岩破坏变形进行多种方案的模拟、比较，选择如图4的方案对深部巷道围岩进行支护。

图4　深部巷道支护方案

巷道以锚网及表面喷浆的方式进行支护，提高围岩自承能力。一次支护主要控制破碎圈内的围岩，适当变形后，补打注浆锚杆及锚索以实现对一次承载圈的补强和二次承载圈的形成。两帮的支护考虑密集注浆锚杆支护的方式进行护帮，抵抗高应力下的屈服破坏。

深部巷道支护下巷道垂直应力及屈服范围见图5。由图5可得顶板破坏深度为1.0m，底板破坏深度为0.8m，两帮破坏深度为0.8m。对比可知巷道两帮应力集中现象明显降低、屈服范围大大减小，说明支护方案对强化承载圈支护强度起到了作用，支护对两帮的进一步破坏起到了抑制作用，两帮采用锚杆支护可以很好地对巷道变形起到作用。

图5　深部巷道支护下巷道垂直应力及屈服范围

数值模拟表明：支护后巷道顶板下沉量最大为28.47mm；左帮移近量65.0mm。顶底板和两帮移近量得到了有效地控制，巷道围岩处于稳定状态。

4结论

(1)深部巷道围岩的变形很难通过一次支护得到完全控制，但是由于支护后围岩应力状态改变，被支护围岩强度提高，围岩整体的承载性能提高，围岩中高应力得到释放，降低了对支护强度的要求，在一次支护后围岩适当变形卸压后二次支护，可以实现对围岩变形的控制。

(2)对于破碎围岩巷道首先考虑提高破碎围岩整体的自承能力，采用锚杆支护提高岩块间的挤压力，增加了岩块间的摩擦力，提高围岩破碎区域整体强度；锚网及喷浆提高了巷道表面的完整性，改变了围岩的受力状态。

(3)通过数值模拟无支护条件下的巷道围岩破坏情况得到了巷道支护方案，数值模拟表明使用该方案巷道变形量较小，支护方案可行。

[参考文献]

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[责任编辑：王兴库]

Supporting Technology of Roadway with Cracked Strata in Deep

DONG Yin-geng

(Lijiahao Coal Mine，Shenhua Baotou Mining Co.，Ltd.，Ordos 017000，China)

Abstract：In order to solve the difficulty supporting problems of roadway with cracked strata in deep，the coupling supporting mechanism of surrounding rock in deep was discussed，force resource of the first bearing ring was provided by anchored point of the first supporting，which located in the second bearing ring.The second bearing ring deformation was prohibited by the first bearing ring，the damage of surrounding rock around the second bearing ring was prohibited，the first bearing ring could be strengthen with coordinated deformation of two of bearing rings，partial deformation energy of the second bearing ring was relaxed.Supporting rationality was validated by numerical simulation.The results showed that the stress concentration of two sides and yield scope decreased sharply，roof sag and two sides convergence was controlled effectively.

Keywords：roadway with cracked strata in deep；bearing ring；numerical simulation

[中图分类号]TD353

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)01-0056-03

[作者简介]董尹庚(1962-)，男，内蒙古鄂尔多斯人，硕士，采矿高级工程师，矿长，现从事煤矿生产技术管理工作。

[基金项目]国家自然基金资助项目(51574114)

[收稿日期]2015-06-26

巷道支护理论与技术

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.015

[引用格式]董尹庚.深部破碎岩层巷道支护技术研究[J].煤矿开采，2016，21(1)：56-58，17.