深部巷道锚杆支护失效原因及支护对策研究

(河南能源化工集团焦煤公司中马村矿，河南 焦作 454171)

0 引言

由于煤炭开采工作在我国有着十分悠久的历史，煤炭资源出现严重的短缺问题，并且社会发展中所需的能源量越来越大，这就导致煤炭的开采工作越来越深入，掘进的深度越来越大。随着埋深的逐渐增加，巷道内部开展的开采及支护工作所面临的问题日益严峻，且岩石的强度越来越低，导致围岩无法自稳，支护体系所承受的压力越来越大，巷道出现了较大的形变，对支护造成了极大的影响。目前，在我国巷道的总掘进量中，深部巷道大约占据了29%，而这种巷道存在70%的返修率，极大增加了掘进工作中的人资及物资，这是现阶段必须解决的一个问题。

1 深部巷道矿压的显现特征及围岩变形的破坏分析

通过与浅部巷道进行对比发现，深部巷道的矿压主要存在下列几点特征：①巷道的变形程度可以达到500 mm以上，其围岩也将出现严重的破裂区域，一般高于4 m，塑性区所具有的宽度也会超出10 m。②在深部巷道中，因围岩出现了过长的变形期，导致巷道的支护及维护受到了极大的影响。③深部巷道因其所具有的复杂构造及分布不均匀的应力而出现较大的不规则性及不明确性。④一般情况下，巷道内的支护工作仅仅针对顶板及两帮来展开，而并未对底板进行支护，这就对承压拱的形成及自承力的提升造成极大的影响，深部巷道产生了底鼓变形的问题，在顶板及底板的移进量中底鼓大约占据了2/3。

掘进工作的展开将会使巷道周边岩石存在不均匀的应力，形成应力集中区域。若该区域内存在的应力超出了岩石自身的强度时，则巷道岩石将会被粉碎，并在塑性区形成一定的松动圈。

当巷道出现了严重的断面时，切向应力将会对围岩的稳定性造成极大的破坏，基于以往的经验可以发现，当围岩出现了过大的应力时，极易导致破断问题的产生。切向应力是初始应力转变而成，两者之间存在正比关系，同时初始应力与埋深也存在相应的关系。

随着开采时间的不断延长，塑性区的范围将会逐渐扩大至周边岩体，围岩所存在的位移变形也持续增加。当围岩出现较大的变形时，岩体自身所具有的稳定性将会受到影响，导致支护结构出现了较大的挤压力，而由于受到支护体的影响，围岩会再次趋于稳定。但是当支护构造与围岩发生作用的周期及变形不相符的时候，围岩存在的松动圈将会持续扩大，导致支护体受到损坏，进而导致巷道产生片帮及冒顶的问题。

2 深部锚杆支护巷道的破坏类型及锚杆失效的原因

2.1 深部锚杆支护巷道的破坏类型

在实际工程中，其破坏形式主要存在以下几种。

1)当顶板岩石出现严重破碎的状况时，锚杆无法对巷道顶板存在的浅部破碎围岩进行有效的支护，锚杆端部周围的岩石将会出现小区域的冒落事故，进而产生相应的冒落拱。

2)针对顶板岩层产生的离层问题，锚固体也会出现相应的离层性顶板，随着锚杆作用力的逐渐消失，顶板将会出现大区域的垮落现象。

3)当巷道两帮的煤岩体不具备较好的力学性质及较强的整体性时，巷道将会受到破坏。

2.2 锚杆支护失效的原因

1)未遵照实际状况来选择及设计各个锚杆参数。当锚杆设计不具有较高的强度时，其支护体系及围岩将不能形成稳固的承载构造，巷道变形也不能得到有效的控制，这必定会对矿井的生产造成较大的影响。但是如果过于重视锚杆的安全性，就会使支护的成本不断增加。

2)锚固无法取得效果。当上覆岩层存在过多的结构弱面时，顶板上端的围岩将会出现部分受损的问题，导致锚固力持续降低，使锚固失去效果，最终将会出现大区域冒顶的问题。

3)粘结失去效果。锚杆可以利用围岩及锚固剂而形成一个有效的整体，若锚杆的杆体与粘结材料之间形成了滑移错位，则围岩将不能得到有效的加固，导致粘结受到破坏。锚杆所具有的锚固力大小主要取决于锚杆与粘结材料之间存在的粘锚力，各种类型的围岩与各种形式的锚杆之间存在不同的锚固力大小，因此在对巷道支护的各个参数进行设计的时候，应当对围岩的力学性质进行充分考虑，选择最有效的锚杆来提升及控制锚固力，并基于此来提升支护工作的水平。

4)托盘失去效果。在安装锚杆的时候，利用托盘来提升预应力，并积极转变岩体存在的受力状态，确保其成为一个完整的承载体，从而使锚杆所具有的作用得到充分发挥，如果托盘的安装不具备合理性，将会对锚杆的支护效果造成一定的影响。

3 深部巷道锚杆支护的原则及措施

为了避免该巷道的围岩发生变形问题，在对锚杆支护方案进行设计及应用的过程中应严格遵循以下几项原则：①及时性原则，即巷道所开展的支护工作应紧紧围绕着掘进工作，确保支护工作具备一定的及时性，并使围岩具备较强的自承力。②主动性的原则，即在对该巷道进行支护时，其主要运用较高强度的锚杆/锚索，利用其具有的主动性来强化围岩，使其形成一个完整的体系，不断加强围岩的自承力。③有效性原则，即有效确保巷道的支护质量，在进行锚杆/锚索支护之后确保其可以达到预期的预紧力及锚固力，对于失去效果的锚杆锚索应当及时完善，以保证整个支护体系维持较好的状态。④动态性原则，即要依据巷道所具有的地质条件来选择最合适的支护形式，并确保其具备一定的动态性，并非单次就可完成，因此应当对围岩变形等进行严格的矿压监测，实时采集数据，并对各个支护参数进行优化，从而对围岩进行有效的控制。⑤可靠性原则，即采取优质的锚杆/锚索材料，同时选择有效的支护参数，提高一次成巷的支护质量，减小返修率。

根据以上这些原则，提出有效的支护方案，以增强深部巷道围岩的稳定性。

1)首先，通过将锚杆/锚索的形式与金属网进行结合来开展支护，确保巷道得到有效支护，强化巷道表面的围岩，从而使围岩所具有的自承力得到完全发挥。通过大量的实践可知，随着巷道越来越深入的掘进，其对支护体系提出了越来越高的要求，且增强锚杆/锚索的支护强度是发展的必然趋势。

2)深部巷道进行的支护工作需要采取具备较高强度及预应力的锚杆/锚索结合金属网来实现，特别是增强顶板的支护效果，避免其出现离层、垮落等问题。

3)对巷道的两帮开展高强度的支护工作，通过运用锚杆/锚索等形式来进行支护，确保两帮不会产生较大的位移。

4)通过在帮角部位加设锚杆/锚索来避免巷道底鼓发生变形问题。

5)将锚杆/锚索的预紧力及锚固力进行增强，促使巷道内的支护系统具备较高的稳定性，确保围岩的自承结构具备较高的强度。

6)对于巷道中所进行的矿压观测工作，当围岩的地质、施工技艺等出现过大的变形时，需要对支护工作的各个参数进行适当调整。尤其是一些出现严重变形问题的区域，应当针对各个支护参数进行完善及加强，以确保掘进工作的正常进行。

4 结语

在浅部巷道中，其所采取的支护方式大多是依据围岩松动圈来展开，通过采取锚杆/锚索等各种形式来增强该松动圈的高效性。而针对深部围岩来讲，其所具备的地应力要明显高于浅部，因此其岩体所具有的流动性较大，围岩将会发生各种形式的变形，导致巷道支护的难度不断提高。因此，在明确巷道支护的形式及参数时，必须选择最佳的支护方式，以严格控制巷道在深部恶劣围岩状况下发生的变形故障。