三心拱非对称支护技术在软岩巷道中的应用

刘涛 刘清伟 吕兆海

摘 要：随着煤矿资源向深部开采，矿压显现问题突出。金家渠煤矿针对煤巷双巷掘进、复合松软顶板、层理节理发育、围岩物理力学特性差等条件，从巷道变形特征分析、支护方式比选、压力位移数据采集分析，按照主动支护、关键部位加强原则，采用非对称支护技术解决了复杂应力下的巷道支护难题。

关键词：复合顶板;巷道失稳;应力集中;耦合支护

中图分类号：TD350.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0171-02

0 引言

软岩巷道主要表现为围岩松散、变形量大、变形速度快、持续时间长、易变形破坏乃至冒顶[1-2]。随着深部煤层资源开采，软岩巷道支护成为制约矿井安全发展的主要瓶颈[3]。杨晓杰[4]等针对第三系复合型软岩的变形特点提出“锚网索+底脚锚杆+柔层桁架”耦合支护技术，充分发挥支护体的支护能力;王洪闪等针对西部地区煤矿围岩承载力低，锚喷支护难以有效控制围岩变形的问题，基于围岩松动圈理论、关键部位支护原理、基于滑移线理论和塑性极限分析法，确定了巷道支护参数;孙健新等提出软弱煤岩复合顶板巷道顶板不协调变形、片帮严重、支护结构破坏是由高应力导致的围岩流变、地质条件差、水的影响和围岩结构不合理造成的;轩召军等针对深埋大跨度复合顶板煤巷变形失稳特点，通过采用压力拱理论和数值模拟技术对巷道围岩变形规律进行分析，提出“锚杆（索）+金属网+M钢带+单体支柱”的支护方案;孙辉等针对软岩巷道变形破坏特点，提出“常规锚网喷+浅部围岩注浆强化加固+矿用高强锚索束联合中空注浆锚索支护”控制技术;赵增辉等针对西部矿区弱胶结软岩地层极不稳定的特点，基于接触单元法及非线性接触理论，提出“阶跃式”突跳特点，认定围岩产生非稳定破坏的标志。

以上学者针对巷道围岩变形破坏特点及支护灯进行了研究，笔者针对金家渠煤矿地质情况分析了不同断面条件下巷道的变形特点及锚杆受力，提出了相应的支护方案，从而有效解决了软岩巷道的变形失稳。

1 概况

金家渠煤矿隶属于宁东煤田马家滩矿区，井田地质条件复杂，尤其是2#煤层顶板属于复合型软岩顶板，平均埋深约650m，以130204运输顺槽为例，该工作面采用矩形断面，掘进后围岩变形较大支护困难，双巷掘进期间两巷煤柱松软，巷道顶板及巷帮受到二次应力叠加，加速巷道变形，巷道维修工程量大，如图1所示两种破坏形式。图1（a）为巷道墙部剪切破坏形式，曾出现局部漏顶事故;图1（b）为顶板中部弯矩增大破坏形式，锚索及锚索梁破断率高，支护材料失效。

2 巷道变形机理分析

根据130204运输顺槽钻孔岩性分析，砂质泥岩抗压强度在22.8MPa～29.1MPa，抗拉强度在4.7MPa～6.9MPa;泥岩抗压强度在19.4MPa～25.8MPa，抗拉强度在4.8MPa～7.4MPa，属于典型的软弱岩体。其物理力学性质为：干燥条件下围岩有一定的强度，遇水易膨胀变形失稳。如图2所示，一级承载结构的长锚索容易将二级承载结构的含水层穿透，造成泥岩含水率提高，顶板岩层膨胀失稳。

3 巷道支护方式

根据巷道变形特点，巷道围岩一侧肩角及对应的底角出现不同程度的应力集中，是产生非对称变形破坏的关键部位，由于巷道两帮的应力分布集中程度不同、应变和位移量也不同，采用非对称支护可加强煤柱侧巷道收敛失稳，同时侧限桁架锚索可提高煤柱抗压强度，按照“主动支护、关键部位加强控制”原则，拱部采用双层网加大护表密度、帮部采用菱形网和W型钢护板增大护表面积，巷道拱部采用短锚索+桁架锚索+双层网+喷砼支护，巷道回采帮采用锚网喷支护，煤柱帮采用锚网喷+侧限桁架锚索支护，巷道整体呈不对称支护，具体设计如图3所示。

4 支护效果验证

每隔20m设置一处矿压监测站，对巷道顶板下沉量及巷帮位移量进行分析，及时掌握巷道压力位移变化规律，验证支护效果。十字布点法、顶板离层仪、锚索轴力监测，如图4、5所示，通过顶板离层量、锚索轴力变化曲线得出，深部最大离层量为60mm，浅部离层量为30mm，巷道帮部表面位移量32mm，随后巷道趋于稳定。

5 结语

（1）分析巷道帮部应力集中度高于顶板的这一特性，通过加强巷道帮部支护强度可提高巷道整体稳定性，将本工作面回采巷道服务年限在原设计基础上延长15个月。（2）对1#帮部锚索轴力监测，初始值为14MPa，经过30d观测最终稳定到21MPa;观察2#煤柱帮肩窝锚索轴力监测压力计，在21d锚索轴力变化较明显，由安装时额初始值14.5MPa，增大至32MPa，在21d后趋于稳定;3#拱部锚索轴力监测曲线，拱部5.3m锚索梁的锚索在45d内轴力持续增高，达到42MPa。（3）回采侧锚杆轴力由初始值为8.7MPa，经过60d的监测最终稳定在10.2MPa，非对称侧限锚索在控制软岩巷道帮部位移明显效果，帮部煤岩体力学特性无衰减，应力集中区煤柱的抗压强度提升1.5倍。

参考文献

[1] 翟新献，涂兴子，李如波，等.深部软岩锚注支护巷道围岩变形机理研究[J].煤炭工程，2018，50（1）：36-41.

[2] 王普，张百胜，王磊，等.膨脹软岩顶板回采巷道支护技术研究[J].采矿与岩层控制工程学报，2020，2（2）：53-61.

[3] 杨景贺.高应力软岩巷道变形破坏与控制机理数值模拟研究[J].煤炭科学技术，2019，47（8）：52-58.

[4] 杨晓杰，娄浩朋，崔楠，等.软岩巷道大变形机理及支护研究[J].煤炭科学技术，2015，43（9）：1-6.