基于复杂应力软弱围岩的矿井建设支护研究

曹学林

(西山煤电股份有限公司 西铭矿，山西　太原　030052)



·试验研究·

基于复杂应力软弱围岩的矿井建设支护研究

曹学林

(西山煤电股份有限公司 西铭矿，山西太原030052)

以西山煤电集团某煤矿回风巷为背景，分析研究了处于高应力条件下软弱围岩的支护方法。经过与普通围岩巷道进行对比，分析了软岩支护的难点，并采取了相应的支护对策。通过分析软岩巷道围岩变形控制理论，提出了软弱围岩锚杆(索)网联合支护方法。将锚杆(索)网联合支护应用于该回风巷，通过监测，从顶板、底板及两帮3方面研究了围岩的变形情况，结果显示，该支护方法取得了较好的效果。

高应力；软弱围岩；锚杆；锚索；金属网；支护；监测

经过数十年的开采，我国的煤炭资源不断减少，煤矿建设呈现出向围岩条件更复杂，煤层埋藏更深的方向发展[1-2].随着科学技术的不断进步，现代化矿井开采深度已经突破1 000 m[3].在深层围岩中，往往存在较高的温度、应力以及高压流动水等的影响[4].实践证明，随着深度的增加，温度越来越高，地应力会受温度的影响而变化，另外还存在紊乱的构造应力，这些因素导致了复杂应力软弱围岩的产生，给煤炭开采带来了极大的危害[5-7].

研究复杂应力状态下煤岩体的变形特性，分析煤岩体与周围环境的相互作用，采用有效的支护手段，很大程度上能避免事故的发生[8]. 本文以西山煤电集团某煤矿的回风巷(最大埋深850 m)为研究背景，分析了煤岩破坏规律，深入研究了复杂应力软弱围岩条件下的支护方式。

1　基本理论及支护方法

1.1复杂应力软弱围岩巷道

复杂应力软弱围岩一般是指承受不同方向且最大应力达到20 MPa的高强度岩石体。该岩石体具有较小的模量和强度，流变性能突出，呈现出硬岩+软岩的双重变形特点。

复杂应力软弱围岩巷道的变形量较大且范围较广，四周围岩来压既快又大，初期变化速度较快，持续时间很长，由于来压很快，围岩的自稳时间很短。另外，在有水环境中，围岩会遇水膨胀，使得围岩加剧变形。针对上述围岩特点，采用刚性支护效果较差，应选择柔性支护方式。

1.2锚杆支护

锚杆支护是通过杆件将拉力加载到上部稳定岩层的支护方法。锚杆悬吊作用可以有效地将高应力作用下风巷轮廓附近范围内松动破碎的岩层固定在深层岩层上。通过预加应力可以使岩层破碎体间的摩擦力加大，形成组合拱的作用。在高应力软岩中，由于软弱岩层较厚，单独的锚杆支护并不能有效地防止局部破碎体松动塌落的产生，需通过其他有效方法遏制。

1.3锚索支护

锚索支护与锚杆支护相似，通过预加应力将巷道周边围岩锚固于深层围岩。锚索的预加应力可以有效地平衡围岩变形产生的压力，保证巷道的整体稳定性，但由于锚索支护需要较深的钻孔，施工起来相对繁琐，巷道满铺锚索不经济，所以，不常单独使用。

2　与普通巷道支护对比分析

普通巷道依据围岩的类别，其支护方式也不尽相同，常见的有钢架支护、锚杆支护、砌体支护等。总的来说，软岩巷道的支护与普通围岩的巷道支护有着显著的区别，由于复杂的应力作用及其极易破碎变形的特性，单一的支护方式达不到实际的支护效果，必须根据实际变形特性，采取多种联合支护的对策。

软岩巷道支护的主要难点有：巷道支护变形过程明显，围岩自撑圈较小，围岩表面的约束力较弱，矿压显现规律明显等。

针对软岩支护的难点，需采取相应对策。在变形速度较快及变形量较大的软岩巷道，应采用强度较高的锚杆控制围岩变形。对顶板地应力较大的巷道，应采用锚索支护减小顶板的下沉。针对极易破碎的围岩，应采用网格栅进行维护，以减少局部围岩的破碎掉落，保证巷道围岩的完整性。

3　软岩巷道围岩变形控制理论分析

由于高应力作用，使原岩石体变得软弱易变形，与硬岩不同，软岩支护若要达到最强承载力，需进入塑形状态。支护后的承载力由变形形式软化的工程力、围岩自撑力和工程支护力组成。将软岩巷道变形分为减速、匀速及加速阶段。解决承载力问题，主要在于确定最佳的支护时刻。

经实验与现场巷道支护经验分析，软岩支护原理可分为：

Ps=Pg+Pc+Pz

式中：

Ps—巷道开挖后，围岩作用的合力，包含了构造应力、膨胀力及重力,kN；

Pg—变形释放的工程力,kN；

Pc—巷道围岩的自撑力,kN；

Pz—外部人为的工程支护力,kN.

巷道开挖后，围岩作用的合力并不是全部由机械工程支护力来承担，而是由以上三者共同承担。最理想的软弱围岩支护方法是有效利用围岩的自撑力Pc，在最佳支护时间段内，采用最合理的支护方式。

软岩巷道的失稳并不是突变的过程，而是从局部开始，逐渐发展变化，最终失稳破坏。软岩巷道支护存在围岩强度、刚度与支护体的耦合关联，如果不相互耦合，会造成局部荷载集中；如果耦合，可以均匀地将荷载加载到支护体上，形成一个稳定的支护合体。

4　软岩巷道支护方法探究

在深层软岩巷道中，由于处于复杂应力的作用下，一般刚性支护效果较差，而单一的柔性主动支护也存在着某方面的不足。因此，需要在柔性支护的前提下，采用多种形式的联合支护方式，才能有效防止软岩巷道的破坏变形。本文针对西山煤电集团某煤矿回风巷，提出了高应力软岩巷道的锚杆(索)网联合支护方法。

在锚杆(索)网联合支护中，包含的材料主要有锚杆、锚索和金属网，每种材料的作用效果都不尽相同，但相互补偿，能更好地完成软岩巷道的支护。

在联合支护体系中，锚杆起着主要的承载作用，本身有一定的伸缩变形，通过悬吊组合拱作用防止围岩的变形破坏。系统中的锚索通过施加预应力，起主动支护作用，将围岩浅部的作用力传到围岩深部，减弱围岩的松动破坏。金属网的作用也很明显，防止巷道四周破碎围岩的掉落，可以将破碎体所产生的应力转而传递到锚杆和锚索上，改善围岩应力状态。

锚杆(索)网联合支护的原理可以看作是平衡拱加固原理，首先通过锚杆和金属网将围岩和自身组合成一个整体支护体，共同承担高应力荷载的作用，然后再铺设高预应力锚索来加强支护。软弱围岩巷道的变形较大，在巷道形成初期首先铺设锚杆进行支护，锚杆使围岩存在一定的承载能力，但围岩变形依然会发生变化；满铺金属网防止了围岩局部范围内的突然松动洒落；支护后期，围岩变形加大，锚索的悬吊作用有效地阻止了变形的进一步加大。

5　实际应用及监测

该煤矿回风巷为半圆拱形，巷道宽3 m，拱顶距基底4 m，巷道采用锚杆(索)网联合支护。其中，金属网采用100 mm×100 mm满铺，锚杆采用d22 mm螺纹钢，锚固长度600 mm；锚索采用d17.8 mm钢绞线，抗拉强度1 860 MPa.锚杆锚索布置示意图见图1.

图1　回风巷围岩锚杆(索)布置示意图

巷道围岩监测主要针对顶板下沉量、底板鼓起量及两帮移近量3方面展开，在回风巷中部相隔20 m布置3个监测站。图2，3，4分别为3个监测站监测到的顶板测量值、底板测量值及两帮测量值。

图2　顶板测量值曲线图

图3　底板测量值曲线图

从图2，3，4可以观察到，随着时间的延长，3个测量值都呈现增长趋势，其中顶板的总下沉量最大达到2.4 cm，底板的总鼓起量最大达到1.6 cm，两帮移近量最大也达到了1.5 cm. 3项测量值在第7周都趋于稳定，3个测点的变化曲线虽不尽相同，但总的变化趋势一样。

图4　两帮测量值曲线图

从软岩巷道锚杆(索)网联合支护的效果来看，巷道围岩的变形量都处于可控范围内，巷道整体性较好，没有发生局部的集中变形，支护强度达到了预计效果。

6　结　论

1) 本文以西山煤电集团某煤矿回风巷为对象，研究了大埋深、高应力作用下的软岩支护方法，通过分析常用的支护方法在软岩巷道中的不足及对比软岩巷道与普通围岩巷道的支护差别，提出了软岩巷道的支护对策。还通过分析软岩巷道围岩变形控制，提出了软岩支护原理，指出了软岩支护的最佳时刻理念。

2) 针对特有的地应力环境条件，提出了软岩巷道锚杆(索)网联合支护方法，并介绍了锚杆(索)网联合支护原理。

3) 在回风巷中采用锚杆(索)网联合支护，设立监测点，对顶板下沉量、底板鼓起量和两帮移近量三者进行监测，从监测结果发现，在该支护方式下，围岩的变形处于可控范围内，支护效果较好。

[1]刘艺.山西某煤矿高应力软岩巷道锚杆-锚索支护技术研究[D].昆明:昆明理工大学，2012.

[2]Cai F.Ugai K.Numerical analysis of the stability of a slope reinforced with piles[J].Soils and Foundations,2000,40(1):78-84.

[3]Matsui T.San KC.Finite element slope stability analysis by shear strength reduction technique[J].Soils and Foundations,1992,32(1):69-70.

[4]罗勇军.矿建工程中特殊硐室的软岩支护技术[J].采矿技术,2014(2):50-51,92.

[5]刘团结,王建刚.矿建工程巷道掘进锚杆支护技术[J].企业导报,2010(9):297-298.

[6]刘兵晨.姚家山矿千米立井井壁稳定性及支护技术研究[D].太原:太原理工大学,2012.

[7]闰莫明,腾年保,夏建中.矿用锚索支护技术[R].北京:煤炭科学研究总院北京建井研究所,2011:412-413.

[8]康红普,高强度锚杆支护技术的发展与应用[J].煤炭科学技术,2000,28(2):1-4.

Research on Supporting in Mine Construction Based on Complex Stress Weak Surrounding Rock

CAO Xuelin

A coal mine ventilation roadway in Xishan coal electricity is as the background. Analyzes the weak surrounding rock support method under the high stress conditions. Analyzes the difficulty of soft rock supporting by contrasting with ordinary surrounding rock. And adopts the corresponding supporting measures. Through analysis of soft rock roadway surrounding rock deformation control theory, puts forward the weak surrounding rock combined support method. The combined support method is successfully applied to the ventilation roadway, through monitoring studies the deformation of surrounding rock from roof, floor and two sides. Results show that the support method gets the better effect.

High stress; Weak surrounding rock; Bolting; Anchor cable; Metal net; Supporting; Monitoring

2015-02-25

曹学林(1974—)，男，山西临县人， 2010年毕业于辽宁工程技术大学，工程师，主要从事煤矿矿建支护管理工作(E-mail)1061770594@qq.com

TD353

A

1672-0652(2016)03-0028-03