动压巷道围岩失稳机理及控制技术研究

王永强

(太原东山煤电集团有限公司，山西 太原 030013)

·技术经验·

动压巷道围岩失稳机理及控制技术研究

王永强

(太原东山煤电集团有限公司，山西 太原 030013)

针对太原东山煤矿目前巷道围岩控制存在的问题，对动压巷道围岩失稳机理及控制技术进行了研究，对其软岩及高应力软岩巷道变形破坏的机理及巷道围岩变形规律进行了分析。提出了设置底角锚杆、帮部锚索以及施加高预紧力锚杆等巷道围岩控制技术，并对帮部锚索控制进行了方案设计及分析。该围岩控制技术避免了底鼓现象，控制了两帮变形，提升了围岩物理力学性能。

动压巷道；失稳机理；围岩控制；锚杆支护

煤炭是我国的主要能源，其生产的关键是运用井工开采形式对井下储存的煤炭资源进行开采，开采过程需要掘进诸多巷道。太原东山煤矿作为一座成熟矿井，随着巷道布置的逐步增多，巷道围岩出现变形的情况也随之愈加剧烈[1，2]. 另外，还存在巷道支护设计不合理及支护强度无法满足实际现场要求等一系列问题，这在很大程度上给矿井的安全、技术及经济等造成了诸多困难[3]. 因此，本文对其动压巷道围岩失稳机理及控制技术进行了研究。

1 动压巷道围岩失稳机理研究

在当前工作面回采过程中，围岩遭到采动影响生成新的裂隙，围岩强度及完整性急剧下降，导致采动产生的应力集中向煤柱巷道围岩深部转移，引起深部围岩的破坏。针对这一现象，并根据该矿地质资料，对其失稳机理进行分析：

1) 动压巷道变形破坏形式。a) 两帮变形破坏。其变形向巷道空间内挤出，底部相对顶部有显著的鼓出，展示出不对称变形情况。两帮都具有相异水平的片帮：微弱情况致使侧墙上发生贯通性纵向裂缝，严重情况致使钢筋及锚挂网发生扭曲，使得围岩被挤出外露。b) 底板变形破坏。其是应力释放的关键围岩部分，变形量及速率相对来说非常高，还会致使两帮相对移近量及顶板下沉逐步扩大[4]，在很大程度上使巷道维护难度增加。

2) 动压巷道变形破坏特征。a) 时间效应。变形量大，支护强度无法满足要求时，其塑性及破碎岩体碎胀变形量得到释放，使巷道围岩变形进一步扩大；速率大，受其采动干扰使得回采期间初期变形量及速率相对来说都非常大；时间长，受采动干扰巷道初始变形相对猛烈，随着工作面的推进逐步进入缓慢变形区间[5]，然而因为支护强度无法满足要求，致使变形速率没有显著缩小，导致巷道一直变形至稳定阶段。b) 空间效应。两帮出现明显变形破坏，底板也随之发生猛烈变形破坏，若不制定相对有效的控制方案[6]，强烈底鼓同样致使两帮及顶板的变形破坏进一步扩大。

2 动压巷道围岩控制技术研究

底板、煤柱帮及实体煤帮变形量随巷道宽度及高度的变化规律分别见图1，图2，图3.

图1 底板变形曲线图

图2 煤柱帮变形曲线图

图3 实体煤帮变形曲线图

根据图1可知，巷道底鼓量依水平方向对称分布，底板中点获得变形量最高值是558.5 mm，在离煤柱帮1～3.7 m，底鼓量都超过了480 mm. 根据图2，图3可知，煤柱帮及实体煤帮变形量依竖直方向都不是对称分布，两帮逼近底板一边相对于顶板鼓出更加显著。煤柱帮及实体煤帮变形量最高值分别是224.9 mm及166.1 mm.

根据上述分析设计控制方案如下：

1) 底角锚杆。

巷道底板滑移线场图见图4.

图4 巷道底板滑移线场图

根据图4可知，三角块体AOC及A′O′C′分别和x轴夹角是-α及α且垂直AC及A′C′方位整体移动，扇形块体ACD及A′C′D′分别绕点A及A′依切线方位运动。若在两底角处依AC及A′C′方位设定底角锚杆，则其轴向方位垂直于扇形块体的移动方位，这样能够在很大程度上控制扇形块体及三角性块体的调动，避免底鼓情况出现。

2) 帮部锚索。

煤的物理力学性质相对来说非常差，工作面回采历程中受动压干扰致使巷道两侧煤体向巷道内偏移，构成相对很大区间的破碎区。另外，锚杆长度有限，无法确保锚固在塑性区中构成相对好的承载构造，所以在两侧帮部位分别添置两根锚索，使煤帮内部构成相互叠加的压应力区，提升了煤帮抵抗变形性能。

为了分析帮部锚索控制两帮变形的成效，制定4种方案见表1.

表1 帮部锚索模拟比较方案表

运用数值模拟方式，设定锚杆锚索参数，见表2.

表2 锚杆锚索参数表

4种方案下巷道围岩表面位移分布状况分别见图5，表3.

图5 巷道围岩表面位移曲线图

方案巷道围岩变形量/mm顶板下沉量底鼓量煤柱帮变形量实体煤帮变形量1309.2782.1423.2342.72218.2672.2263.2182.33136.9564159.9104.24126.2532.114292.1

由表3及图5可知，方案1、2，巷道围岩变形量以很快的速度缩小，特别是两帮变形量，煤柱帮及实体煤帮变形量缩小数值分别是69.59%及62.22%，而方案3、4，巷道围岩变形相对来说几乎维持恒定，数值改变相对非常小，顶板下沉量、底鼓量、煤柱帮及实体煤帮变形量分别缩小了10.7 mm、31.9 mm、17.9 mm及12.1 mm.

综上所述，帮部设置锚索后缩小了巷道围岩变形，这也表明在帮部设置锚索不仅能够有效地控制两帮变形，而且能够控制顶底板变形。设置帮锚索从2根至3根，巷道围岩变形改变相对很小，两根锚索也能够达到相对理想的支护成效，因此择取方案3.

3) 施加高预紧力锚杆。

锚杆支护设计中一个关键参数就是锚杆预紧力，其是判别主动及被动支护的关键。高预紧力可以改变巷道围岩的受力情况，经过托盘钢带等组合结构部件使围岩两向受压变成三向，提升了巷道围岩的稳定性。另外，高预紧力锚杆能够有效地提升围岩强度、刚度及黏聚力，进而构成一个完整的承载结构，控制围岩出现变形。

3 结 论

对太原东山煤矿动压巷道围岩失稳机理及控制技术进行了研究设计：1) 设置底角锚杆，控制了巷道底板块体的移动，避免了底鼓现象。2) 设置帮部锚索，使得煤柱帮及实体煤帮变形量缩小数值分别是69.59%及62.22%，对控制巷道两帮变形起到了显著的成效。3) 提出施加高预紧力锚杆，有效地提升了围岩物理力学性能。

[1] 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(6):57-60，64.

[2] 苏亚峰.上行开采采动破裂围岩巷道失稳及安全控制技术研究[D].安徽理工大学,2016.

[3] 刘 洋.麻家梁煤矿动压巷道变形失稳机理及控制技术研究[D].中国矿业大学,2015.

[4] 张迎贵.深部松软围岩巷道变形机理及控制技术研究[D].安徽理工大学,2014.

[5] 李 兵,张东峰.松软煤层动压巷道围岩控制机理研究及合理支护设计[J].煤炭工程,2013(9):41-43，46.

[6] 顾士亮.软岩动压巷道围岩稳定性原理及控制技术研究[J].能源技术与管理,2004(4):15-17，38.

ResearchonMechanismandControlTechnologyofSurroundingRockinDynamicPressureRoadway

WANGYongqiang

In view of the existing problems of the surrounding rock control in Dongshan coal mine, the instability mechanism of surrounding rock and control technology in dynamic pressure roadway are studied. The mechanism of roadway deformation and failure and the deformation rule of roadway surrounding rock are analyzed. The roadway surrounding rock control techniques are put forward, including setting anchors in floor, anchor in sides and applying high pre-tension anchor. The design and analysis of the anchor cable setting on sides are also carried out. The surrounding rock control technology prevents the heaving floor, the deformation of the two sides, and the physical and mechanical properties of the surrounding rock are enhanced.

Dynamic pressure roadway; Instability mechanism; Surrounding rock control; Bolt support

TD353

：B

：1672-0652(2017)07-0052-03

2017-06-09

王永强(1968—)，男，山西河曲人，1992年毕业于山西矿业学院，工程师，主要从事煤矿采、掘技术以及安全管理工作(E-mail)383943803@qq.com