高应力条件下巷道支护存在的问题及优化举措分析

张艳军

（太原市明仕达煤炭设计有限公司，山西 太原 030001）

引言

深部巷道支护问题是制约当前煤矿深部开采的重要瓶颈性问题，从当前巷道深部支护情况来看，整体的支护环境相对于先前更为复杂，特别是高应力问题带来的其他支护难题随之增加。全面做好高应力条件下巷道支护是当前很多煤矿面临的重要课题。从具体支护实践来看，在很多方面还需要优化提升。因此，对高应力条件下巷道支护存在的问题及优化举措进行分析有着较为重要的意义。

1 某煤矿运输巷道概况

某煤矿运输巷道埋深接近800 m，从地质勘察情况来看，巷道直接顶、基本顶主要是泥岩，整体的强度相对较低，泥岩厚度也相对较大，容易出现破碎的问题。直接底为炭质泥岩、煤矸交叉层，这类岩石在遇水的情况下，容易出现膨胀等问题。从现场勘察和理论分析来看，巷道整体受到上覆岩层中厚度相对较大的砂岩影响，其中也有断层的影响，导致巷道中出现了采动应力、地应力及构造应力相互叠加的问题，出现了局部应力高度集中的情况。巷道原支护设计如图1所示。在巷道原支护施工之后，巷道整体出现了较为明显的变形破坏问题，严重影响到巷道使用，矿方对巷道出现的变形问题进行了返修，但是返修效果不佳，因此，需要对巷道支护情况进行分析，提出更加复合实际的返修支护方案。

图1 巷道原支护设计示意图（单位：mm）

2 高应力条件下巷道支护存在的主要问题

根据现场勘察资料，特别是通过对返修后的巷道表面位移情况进行观察可得到，巷道在支护后，整体的表面出现了较大的位移问题，导致巷道表现出突出的变形破坏，整个巷道断面几乎已经全部闭合，导致整个生产工作不能有效进行[1-2]。通过现场勘察和理论分析，得到巷道变形的主要问题有如下几个方面：

1）巷道整体的埋深较大。巷道埋深已经接近800 m，上覆岩层带来的垂直应力较大，在大埋深的情况下，水平应力已经成为了主应力，在这种超高地应力下，传统的巷道支护方案和模式在很多方面表现出较大的不足，特别是再加上采动应力的影响，深部巷道围岩整体表现出工程软岩的特点，也就是岩体在浅部情况下，有着较高的强度，但是在深部高应力作用下，巷道已经表现出了软岩的特点，对整个巷道支护带来了突出的影响问题。选择使用应力解除法对巷道所处地段的应力情况进行了分析，见表1。

表1 巷道地应力测量数值

2）从巷道支护方式来看，仍旧沿用的是传统的浅部巷道支护方式，对在高应力条件下，巷道围岩和巷道支护体之间的相互作用并没有形成一个清楚认识，并没有结合深部高应力条件，提出针对性的巷道支护返修方案，导致巷道出现了较为明显的变形破坏问题。

3）巷道围岩岩性整体较差。从现场勘察来看，巷道围岩有较多的泥岩，同时，现场有明显的淋水痕迹，这类岩石在使用的过程中，出现了较大的膨胀问题，导致巷道锚杆支护体在支护的过程中，不能提供出有效支护应力，对整个巷道支护带来了非常突出的负面影响。同时，从现场来看，锚杆在煤体中出现了较为明显的锚固应力不足的问题，根据现场拉拔实验来看，整体的有效支护严重不足，对巷道支护产生非常突出的负面影响。

4）从现场支护来看，现场施工人员对锚杆、锚索并没有施加充足的预紧力，两者均出现相对偏低的问题，导致锚杆、锚索支护之后，对整个巷道围岩并没有形成主动控制的效果，特别是巷道表层围岩并没有受到三方应力作用，处于双向应力状态，整体的承载极限相对较低。此外，从现场支护情况来看，锚杆与锚索支护过程中，支护构件也出现了不匹配的问题。两者均没有安装调心球垫，导致受力状态整体较为恶化，现场出现了较多的锚杆、锚索支护体破断被外拉的情况。同时，锚杆与锚索的托盘已经出现了明显的翻转或者变形的情况，这表明对锚杆和锚索施加的预紧力已经出现了失效。

3 高应力条件下巷道支护优化措施

为了确保巷道正常使用，为巷道提供有效的支护方案非常重要，结合巷道出现的变形破坏问题，根据巷道所处地质条件，提出了“高强让压锚杆”与“带肋树脂锚索”返修支护方案。支护所用锚杆、锚索具体结构如图2 所示。

图2 返修使用的锚杆、锚索具体结构示意图

选择使用以上述支护构件为主体的返修支护系统，可以提供更高的支护强度，特别是提供的“让压”性能效果相对先前更好，对于高地应力巷道的情况更为适应，因为在高地应力情况下，巷道围岩内一般蕴含着较大的能量储备，通过将高地应力进行适当的“让压”，可以引导围岩在可控的范围内进行能量的释放，降低高地应力对巷道支护体带来的破坏，在可控的范围内释放一定的围岩变形，降低整个支护系统的支护难度。图3 是巷道返修支护示意图。在本次返修的过程中，考虑到巷道围岩整体较为松软，出现了较为明显的破碎问题，全面做好对巷道顶板和两帮的支护非常关键。因此，在返修的过程中，选择使用纵横钢筋梁和金属网配合的方式，对巷道表面进行了全面护表措施。

图3 巷道返修支护示意图（单位：mm）

在巷道选择使用上述返修支护措施之后，技术人员对巷道整体的变形情况进行了现场勘察分析，选择使用“十字交叉法”对巷道表面位移情况进行了研究。在本次返修观察的过程中，充分考虑到锚杆、锚索支护下，围岩活动表现出较强隐蔽性的问题，本次为了掌握一个较为完整的情况，本次对巷道支护情况进行了全面综合观测，主要有锚杆拉拔力、锚固力、顶板离层、巷道表面位移等进行了全面观测，主要目的是全面掌握本次返修的情况，为下一步做好巷道支护的返修和调整工作提供出更为科学完善的依据。

通过对锚杆、锚索受力情况进行分析可知，在原支护的情况下，顶板锚杆的轴向应力在50～60 kN，巷道两帮锚杆的轴向应力在40～50 kN，锚索的轴向应力在100～125 kN，但是在采取了全新的锚杆、锚索支护构件之后，顶板锚杆的轴向应力在80～90 kN，巷道两帮锚杆的轴向应力在75～90 kN，锚索的轴向应力在120～140 kN。从这些数据可以看出，在对巷道选择使用了全新的支护锚杆、锚索支护系统后，整体的锚杆、锚索受力的情况相对于先前有了较大的提升，整体处于较好的工作状态，对于高应力条件下巷道支护更为适应。

通过对巷道表层位移情况进行全面观测，得到了巷道位移情况图，如下页图4 所示。

从图4 可知，在选择使用了全新的返修支护方案之后，巷道位移整体情况相对于原支护条件下出现明显改观，整体均得到了较为有效的控制，变形量对巷道正常使用并没有产生较大的影响[3-4]。

图4 返修后巷道表面位移曲线图

4 结语

高应力条件下巷道支护相对于传统的巷道支护方式在很多方面表现出了较大的不同，不仅仅要增强巷道支护的强度和刚度，更需要将围岩自身的支护强度充分调动出来，形成耦合支护效果。很多煤矿也开始注重提升支护的耦合性，但是从具体工程实践来看，耦合支护深度还需要提升，在很多情况下，并没有达到较好的耦合支护状态。因此，煤矿还需要加大对高应力条件下巷道支护的研究和问题，找准支护优化的关键点和结合点，全面提升巷道支护的整体质效。