强烈动压巷道围岩变形破坏机理及加固技术

郭相平

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)



强烈动压巷道围岩变形破坏机理及加固技术

郭相平1,2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

以常顺煤矿9105进风巷为研究对象，采用理论分析的方法对受强烈动压影响巷道围岩的破坏机理进行深入研究，结合工程经验确定了9105进风巷围岩变形控制技术对策，制定了高预应力强力全锚索支护方案与支护参数。9105进风巷支护试验结果表明：高预应力强力锚索支护技术对强烈动压巷道服务期间围岩变形控制效果显著，提高了常顺矿煤炭资源利用率，为矿井后续强烈动压巷道的使用提供技术依据。

强烈动压；破坏机理；全锚索支护；围岩控制

随着煤炭资源开采强度的逐年加大，越来越多的矿井存在着大量的动压复用巷道。这类巷道不仅要经受本工作面回采过程中超前压力的影响，还要受本工作面强烈的滞后动压影响，在经历两次动压影响后保留下来为下个工作面服务，在服务下个工作面过程中还需要经历下个工作面的超前压力影响，动压复用巷道与普通的工作面巷道相比，其巷道围岩变形控制的难度更大。

目前，国内外对动压巷道围岩稳定控制进行了较多的研究。郭忠平[1]采用数值模拟的方法对动压巷道变形及超前支承压力进行了分析，认为超前支承压力的峰值位于弹性区和塑性区的交界处，顶底板移近速度的峰值滞后压力峰值一段距离；康红普[2-4]认为预应力及其扩散是高预应力强力锚杆支护系统的核心，架棚支护和低预应力锚杆支护实际上是在等待巷道变形以后支护体才能发挥作用，只有高预应力强力支护才是真正的主动支护，预应力的扩散在支护中起到很重要的作用，为了将施加在锚杆锚索上的预应力扩散到更深更远的围岩中，应该选取护表面积大的护表构件。由于受到顶板冒落易造成重大的伤人事故，而巷帮变形经处理就能满足使用的思想的影响，目前国内煤矿巷道支护均重顶板而轻两帮，部分学者[5-6]针对这种情况对动压巷道的巷帮进行了重点支护取得了良好的效果。本文针对晋能集团常顺煤矿9105胶带巷受9104工作面回采强烈采动影响并留巷的支护难题，分析了9105胶带巷破坏因素和控制机理，提出了巷道加固支护方案，并进行了工业试验。

1 工程概况

山西晋能集团常顺煤矿9104胶带巷是9103工作面的尾巷，在经历9104工作面的回采动压影响后留巷为9104工作面服务。9104胶带巷与9103回风巷之间的净煤柱宽度为15m，巷道掘进期间支护强度偏低，在发现巷道已经发生较大变形后全巷进行强力锚索补强支护，但使用的是槽钢托板、U型钢托板等护表面积较小的托板，补强效果较差，最终9104进风巷留巷失败，后又预留15m煤柱重新掘进了一条进风巷才保证了9104工作面的正常回采。现在9105工作面进风巷遇到了相同的问题，前期支护比较简单，如果重蹈9104工作面的覆辙将给煤矿带来较大的经济损失，并且严重打乱了煤矿正常的衔接计划，针对此问题，开展9105工作面进风巷加固措施的研究，确保矿井正常生产。

2 9105工作面进风巷动压变形破坏分析

2.1 巷道掘进期间支护

9105胶带巷的支护材料：锚杆材质为335号螺纹钢锚杆，杆体直径20mm，长度2000mm，锚索为1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，直径17.8mm，长度8250mm，W钢带型号为W235/250/3-4300-6，锚杆托板为100mm×100mm×10mm的平垫片，锚索托板为14号槽钢，长度400mm，锚杆锚索同布在W钢带上，网片为10号铁丝编织而成的经纬网，网孔规格50mm×50mm，锚固剂型号为MSCK120，9105胶带巷煤柱侧帮采用螺纹钢锚杆进行支护，工作面侧采用玻璃钢锚杆进行支护。巷道顶板锚杆设计预紧扭矩150N·m，巷帮金属锚杆设计预紧扭矩120N·m，玻璃钢锚杆设计预紧扭矩40N·m，锚索设计预紧力100kN，9105胶带巷掘进期间锚杆支护布置如图1所示。

图1 9105胶带巷支护参数

2.2 巷道围岩结构窥视

煤矿井下巷道围岩是一个非常复杂的地质体。与其他工程材料相比，巷道围岩内部含有各种类型的不连续面，如节理、裂隙、离层、层理等，这些不连续面都能对岩体的强度特征和变形特征进行显著地改变，导致岩块与岩体的强度相差极大。为了分析动压巷道的变形机理和更精确地设计加固参数，在9105胶带巷进行了巷道围岩结构窥视。窥视结果显示，在经受回采动压之前，巷道浅部已经发生了变形，从图2可以看出，巷道顶板的破坏范围已经达到2.5m，巷帮的破坏范围已经达到2m，表面位移监测数据显示巷道基本未发生变形。

图2 9105胶带巷围岩结构窥视照片

2.3 原支护效果分析

巷道围岩结构窥视结果表明，巷道顶板的破坏范围已经达到2.5m，巷帮的破坏范围已经达到2m，而锚杆的长度为2m，也就是说锚杆锚固范围内的围岩已经破碎，锚杆的作用只是在一定程度上加固了破碎的围岩体，无法起到悬吊作用，如果围岩破碎比较严重，锚固剂已失去其锚固作用，此时的锚杆相当于虚设，根本起不到加固作用。由此可见，能够保持巷道不垮的主要支护为锚索。

2.4 动压巷道围岩变形破坏分析

常顺煤矿留巷巷道围岩变形破坏的根本原因是强烈回采动压影响所致，客观原因是巷内初次支护强度和刚度较低，不能有效抵抗围岩的大变形，导致动压作用时发生了围岩的大变形。具体来说，巷道初期围岩已破坏，在动压的作用下，破碎围岩变形错动导致垮落，尽管有钢带及网辅助支护，但破碎围岩已与完整顶板脱离，形成大面积的网包，这些网包全靠锚索悬吊，锚杆的作用已微乎其微。巷帮锚杆起锚高度偏高，导致帮部支护系统对巷帮底部煤体的控制作用降低，所有这些导致了巷道在未经受回采动压之前帮顶浅部已经破坏到锚杆锚固位置。在经受回采动压影响后，由于动压剧烈，支护系统强度和刚度都偏低，裂隙迅速扩展，导致巷道报废。

3 巷道加固措施分析

针对该类巷道，在巷道未经受动压之前应采取补强措施，巷道浅部虽有裂隙和破坏发生，但裂隙开度小，破坏范围有限，根据高预应力强力支护理论并结合以往工程经验，如果采取高预应力支护系统对围岩进行补强支护则能控制该类巷道围岩的变形。鉴于巷道围岩裂隙已经延伸到锚杆锚固区，因此采用锚索对该类巷道进行补强支护。

研究表明[7]，随着锚索长度的缩短，锚索能及时对支护范围内节理裂隙的张开施加大变形抗力。鉴于此规律，本文采用数值模拟法模拟不同长度的锚索在同一预紧力下所产生的预应力场(见图3)。模拟的锚索直径为21.6mm，锚索长度分别为5m，6m，7m和8m，锚固长度1970mm，预紧力250kN。从图3模拟结果中可以看出，锚索长度为5m时，所产生的支护压应力为0.2～0.25MPa，并且由于自由段相对较短，在顶板中间形成了一个高预应力核将锚索锚固端和孔口端连成一体，说明支护效果较好；当锚索长度为6m时，所产生的支护压应力值为0.2MPa左右，应力值有所降低，并且由于自由段加长了1m，连接在锚固端和孔口端的应力核消失了，说明支护效果略有降低；当锚索长度为7m和8m时，所产生的支护压应力降到0.1～0.15MPa，支护效果进一步降低。因此，在合理的锚索长度范围内，短锚索支护的效果比长锚索好。

根据模拟结果、顶板岩性及原支护方式最终选择加固锚索的长度为5300mm。

4 支护方案及支护参数的确定

依据动压巷道强力锚索支护的特点，结合具体的9105胶带巷工程地质条件，运用FLAC3D模拟软件，分别对常顺煤矿9105胶带巷的锚索间距、排距、锚索直径和锚索长度等支护参数进行模拟分析，最终确定高预应力强力锚索支护方案。

4.1 顶板支护参数

顶板锚索直径为21.6mm，长度5300mm，是1×7股低松弛高预应力钢绞线，采用3支不同速度的锚药进行锚固，1支快速锚药规格为MSK2335，2支中速锚药的规格为MSZ2360。锚索呈矩形布置，锚索间距1100mm，锚索排距800mm，锚索配套的托板为高强度拱形托板，规格为300mm×300mm×16mm，锁具的力学性能要与锚索配套，锚索破断力大于500kN，顶板锚索初张力大于250kN。

图3 不同锚索长度产生的支护应力场

钢筋网片采用直径为6.5mm的钢筋焊接而成，网孔规格为100mm×100mm，网片规格为2300mm×1000mm，每排2片，钢筋网采用勾接的方式连接，勾接长度100mm，并用双股16号绑丝孔孔相连。具体9105胶带巷顶板补强支护布置如图4所示。

图4 9105胶带巷顶板补强支护

4.2 两帮支护参数

巷帮锚索直径为21.6mm，长度4300mm，1×7股低松弛高预应力钢绞线，采用3支不同速度的锚药进行锚固，1支快速锚药的规格为MSK2335，2支中速锚药的规格为MSZ2360。锚索呈矩形布置，间距1000mm，排距800mm，锚索配套的托板为高强度拱形托板，规格为300mm×300mm×16mm，锁具的力学性能要与锚索配套，锚索破断力大于500kN，顶板锚索初张力大于250kN。

钢筋网片采用直径为6.5mm的钢筋焊接而成，网孔规格为100mm×100mm，网片规格为2800mm×1000mm，每排2片，钢筋网采用勾接的方式连接，勾接长度100mm，并用双股16号绑丝孔孔相连。具体9105胶带巷两帮补强支护布置如图5所示。

图5 9105胶带巷两帮补强支护

5 工业应用效果分析

为了监测常顺煤矿9105胶带巷围岩活动规律及支护效果，巷道补强期间在9105胶带巷切眼附近向外间隔25～100m安装了5组巷道表面位移观测测站，这5组测站位于距巷口975m，950m，925m，900m和800m左右处，对不同位置的巷道围岩变形进行了动态监测。

这些典型测站观测结果表明：9105胶带巷两帮最大移近量330mm，顶底板最大移近量600mm，其中底鼓量500mm以上，正常情况下巷道底鼓量在250mm左右，底鼓量达到500mm区域是工作面初采影响区域，在初采阶段由于采面顶板高顶引起初采缓慢，压在煤柱上的压力没有及时释放，最终引起巷道底鼓较大，尽管巷道在回采期间局部范围巷道底鼓量、两帮移近量比一般巷道大，但基本能够满足正常生产及安全的要求，说明高预应力强力锚索支护系统控制围岩变形能力强，在对动压巷道未受动压前进行补强支护，能有效地控制围岩强烈变形。

6 结 论

(1)常顺煤矿动压巷道围岩变形的根本原因是受回采的强烈动压影响，客观原因是由于初期支护强度偏低造成的。

(2)数值模拟的结论是短锚索比长锚索在相同的预紧力条件下，支护效果更好，现场工业试验证明，高预应力强力短锚索支护系统控制巷道围岩变形的能力更强。

(3)根据常顺煤矿具体的动压复用巷道的特点，提出了9105胶带巷巷道加固支护设计。同时通过对9105胶带巷的数值模拟分析，制定了高预应力强力锚索补强支护系统，并确定了相应锚索间距和排距。井下工业试验结果说明9105胶带巷在服务期间巷道两帮和顶板变形控制效果明显，为常顺煤矿后续动压复用巷道的加固提供了技术依据。

[1]郭忠平.动压巷道变形及超前支承压力数值模拟分析[J].煤炭科学技术，2002，30(7)：52-53.

[2]康红普，姜铁明，高富强.预应力在锚杆支护中的作用[J].煤炭学报，2007，32(7)：673-678.

[3]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， 2009，34(9)：1153-1159.

[4]康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[5]单仁亮，孔祥松，蔚振廷，等.煤巷强帮支护理论与应用[J].岩石力学与工程学报，2013，32(7)：1304-1314.

[6]何 杰.强烈动压巷道受力不对称特性及帮强控制研究[J].煤矿开采，2014，19(6)：60-63.

[7]王子越.树脂锚杆锚固质量和杆体变形特征研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2014.

[责任编辑：王兴库]

Surrounding Rock Deformation Mechanism and Reinforcement Technology of Roadway with Strong Dynamic Pressure Roadway

GUO Xiang-ping1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

It taking 9105 air intake roadway of Changshun coal mine as background，the broken mechanism of surrounding rock in roadway that influenced by strong dynamic pressure was analyzed deeply，surrounding rock deformation control measures of 9105 air intake roadway was determined with engineering experience，and high prestress strengthen cables supporting scheme and its parameters were formulated.The practical in 9105 air intake roadway showed that surrounding rock deformation control during service period of strong dynamic pressure roadway with high prestress cables supporting technique was obviously，coal resource utilization of Changshun coal mine was improved，it references for similar situation.

strong dynamic pressure；broken mechanism；fully cable supporting；surrounding rock control

2016-05-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.016

自然科技基金青年基金项目(51304119)；天地科技创新基金项目(KJ-2015-TDKC-14)

郭相平(1980-)，男，安徽庐江人，副研究员，硕士，长期从事巷道支护的研究与推广工作。

郭相平.强烈动压巷道围岩变形破坏机理及加固技术[J].煤矿开采，2016，21(6)：57-60，64.

TD353

A

1006-6225(2016)06-0057-04