深部巷道主被动全空间协同控制技术及工程应用

左建平 ，刘海雁 ，王 军 ，徐丞谊 ，朱 凡

（1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院, 北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 北京 100083；3.山东建筑大学 土木工程学院, 山东 济南 250101）

0 引 言

煤炭目前仍是我国的主体能源，且主要产量来自于井工煤矿，每年新掘巷道长度约12 000 km[1]。同时，巨大的巷道掘进工程量也促进了巷道围岩控制理论及控制技术的发展。在巷道围岩控制技术方面，根据支护结构的作用机理，大体可以分为主动支护和被动支护。对于主动支护，主要有锚杆（索）、注浆及卸压控制技术，在锚杆（索）支护技术方面，康红普等[1-3]提出了高强预应力锚杆−索支护技术，认为锚杆−索预应力的有效扩散是支护成败的关键；何满潮等[4-6]研发出了具有较高恒定工作阻力的恒阻大变形锚杆−索，在结构变形吸收能量的同时还能够保持恒定阻力；马念杰等[7]针对于锚索破断率较高的难题，提出了具有较高工作阻力的可接长锚杆支护技术。除此之外，在注浆及卸压支护技术方面，侯朝炯等[8]基于围岩强度强化理论提出了深浅递进分层次注浆加固技术；左建平等[9]基于巷道围岩梯度破坏机理提出了使用纳米基注浆材料对破碎巷道进行分级控制；王猛等[10]和左建平等[11]分别提出可以通过钻孔卸压和开槽卸压技术对巷道围岩进行应力调控，使得高应力向巷道围岩深部转移，改善围岩应力状态。而在被动支护技术方面，主要体现在支架对巷道围岩变形的抵抗能力，姜鹏飞等[12]针对于U 型钢在不同荷载下的受力情况进行了力学计算，并将U 型钢成功应用在了千米深井软岩巷道中；马明杰等[13]通过室内足尺试验，研究了可缩性U 型钢支架在不同侧压下的承载性能。由于U 型钢支架承载性能有限，所以具有更高支护阻力的钢管混凝土支架被应用到了煤矿巷道支护中。刘德军等[14]调研了钢管混凝土支架承载性能的研究历程，并表明了钢管混凝土支架在复杂困难巷道中支护的有效性；王军等[15]将钢管混凝土组合支架应用在深井软岩巷道中的交岔点控制中，有效控制了膨胀性软岩巷道交岔点的大变形问题。除此之外，张农等[16]提出了较易施工的喷涂柔模技术，能够对巷道围岩及时承载。

在巷道围岩赋存环境的复杂性与断面形状多样性的双重影响下，巷道围岩支护方式的选择就显得尤为重要。虽然学者们研究了不同环境下的巷道支护技术，也取得了较为成功的实践结果。但是对于巷道支护方式的演变规律，及深部巷道控制技术方面尚需进一步研究。故通过统计不同类型巷道的埋深、应力、强度及支护方式，提出通过应力强度比来评价巷道围岩支护的难易程度，研究了钢管混凝土支架与锚杆−索的协同支护机理，进而提出了深部巷道主被动全空间协同控制技术，并在深部动压巷道与软岩巷道中进行了成功应用。研究结果是等强支护理论及技术在现场实施方式的一种，可为深部巷道围岩控制提供一定的指导。

1 煤矿巷道支护方式变化规律

巷道作为煤矿的生命通道，其稳定性对于整个矿井的安全生产至关重要。但由于巷道围岩赋存环境的多样性和复杂性，使得巷道支护方式也呈现出多变性，且支护方式也在随巷道围压赋存环境的改变在不断改变。故统计分析了不同类型巷道的埋深H、最大地应力σmax、围岩峰值强度σp以及对应的支护方式，并定义巷道围岩最大地应力σmax与岩石峰值强度σp的比值为k，将其称为巷道围岩的应力强度比，具体统计结果见表1。由表1 可知，巷道类型大体可分为深井巷道、采动巷道、高应力巷道、软岩巷道、破碎巷道、冲击地压巷道等。

表1 煤矿巷道支护方式统计Table 1 Statistics of support methods in coal mine roadway

此外，分别做巷道围岩最大地应力、抗压强度、应力强度比与埋深的关系图。根据图1a 和图1b 可知，巷道围岩最大主应力与抗压强度均随埋深增加表现出逐渐递增。但相对来说，巷道围岩最大地应力的递增趋势更趋近于线性，而抗压强度则在逐渐递增的趋势上，出现较多离散点，这表明巷道围岩抗压强度受环境的影响更大。比如构造的存在、岩石含水性、温度的变化等均会影响岩石的抗压强度。但最大地应力与抗压强度都不能决定巷道围岩支护方式的选择，真正决定其支护方式的是巷道围岩的应力强度比。具体地，应力强度比越大，巷道围岩破坏的可能性或破坏程度越大，从而修复巷道围岩的难度越大，需要外部提供的支护阻力越大。如图1c所示，当应力强度比小于1.0 时，使用普通锚杆−索、U 型钢和注浆中的一种或几种联合支护就可以将巷道围岩控制地较好；而当应力强度比位于1.0～2.0 时，则需要高强预应力锚杆−索、恒阻大变形锚杆−索、U 型钢、注浆、卸压等支护方式中的一种或几种联合去进行巷道围岩的控制。相对地，在应力强度比大于2.0 时，巷道埋深也基本位于800 m 以深，这表明埋深也可以从一定程度上反映巷道支护的难易程度。总体来说，巷道支护经历了弱被动支护−主动

图1 巷道围岩不同埋深下的支护方式变化情况Fig.1 Change of support methods of rock surrounding roadway under different burial depths

支护−强主动支护−强被动支护等几个阶段，且较好地解决了应力强度比低于2.0 时的支护问题。但是，由于我国深部煤炭资源的开采迫在眉睫，当应力强度比大于2.0 时，巷道围岩的支护问题尚没有较好的解决方法，故提出了主被动全空间协同控制技术。

2 主被动协同控制理念及力学原理

在深部开采的大势所趋下，提出了主被动全空间协同控制技术，分别对主被动全空间协同控制理念及力学原理进行分析。

2.1 主被动全空间协同控制理念

巷道开挖后，由于巷道围岩所处环境的复杂性（内因）以及断面形状的多样性（外因），将会导致巷道围岩内部应力场重分布，且呈现出不同形状的塑性区。为把形状各异的应力场近似调整为巷道未开挖时的应力状态，则需要根据巷道围岩环境和断面形状采取不同的支护措施，调控其应力场恢复至与地应力相匹配的等效应力状态，从而实现等强支护[56]。对于圆形巷道（图2a），可以采取注浆和锚杆−索的主动支护方式，以及具有高支护阻力的U 型钢或钢管混凝土支架进行被动支护；而对于矩形（图2b）与直墙半圆拱形（图2c）等塑性区存在尖角的巷道断面，则需要在应力集中区使用钻孔卸压或其他主动卸压方式对巷道围岩应力场进行调整，随后运用注浆与锚杆−索对巷道围岩进行修复，并使用钢管混凝土支架抑制巷道变形。

图2 主被动全空间协同支护理念示意Fig.2 Schematic of active-passive full-space cooperative support concept

总体来说，主被动全空间协同控制技术的理念为使用卸压、注浆、锚杆−索等主动支护方式修复巷道围岩，使其尽量恢复承载能力，形成主动支护体；并运用具有高支护阻力的钢管混凝土支架抑制巷道变形，发挥其支撑能力，去协助或调动巷道围岩的承载能力，构成被动支撑圈。主动支护体与被动支撑圈的协同性主要体现在2 个方面，首先，主动支护是修复破损的巷道围岩，被动支护是抵抗巷道围岩的大变形，主被动在荷载分配上协同作用，让巷道围岩充分发挥其自承载能力；其次，主动支护作用在围岩内部，抑制其发生进一步的变形，被动支护则是作用在巷道围岩表面，抵抗巷道围岩表面的大变形，主被动支护从围岩内外协同控制巷道大变形，保证巷道围岩变形协调。最终主动支护体与被动支撑圈对巷道围岩进行全空间协同控制，但具体采取哪种支护方式还是需要根据巷道所处地质环境进行特定的选择。

2.2 主被动全空间协同支护力学原理

为进一步分析主被动全空间协同支护，下面使用莫尔圆对其力学原理进行分析。如图3 所示，巷道未开挖时，最大主应力σ1与最小主应力σ3相差无几，莫尔圆较小，且巷道围岩状态较好，Mohr Coulomb 包络线位于莫尔圆之外，此时巷道围岩处于稳定状态。巷道一旦开挖，会出现径向应力降低，环向应力升高的开挖效应，此时巷道围岩表面的σ3降为0，而σ1要远高于未开挖状态时的σ1。与此同时，巷道围岩内部出现不规则裂隙网，此时的Mohr Coulomb 包络线与莫尔圆相割，巷道围岩处于极不稳定状态。主被动全空间协同控制技术首先通过卸压、注浆与打设锚杆−索改善修复巷道围岩，使其恢复部分承载能力，形成主动支护体，从而降低σ1，且改善巷道围岩的粘聚力与摩擦角，增大Mohr Coulomb 包络线；同时使用U 型钢或钢管混凝土支架对巷道围岩进行被动支护，构成被动支撑圈，达到升高σ3的目的。最终莫尔圆远离Mohr Coulomb 包络线，巷道围岩处于较为稳定的状态，这就是主被动全空间协同控制技术最终想要实现的稳定安全状态。

图3 主被动全空间协同支护力学原理Fig.3 Mechanical principle of active-passive full-space cooperative support

将钢管混凝土支架看作是均匀连续的曲线梁，且忽略套管的影响以及钢管混凝土支架的重量，将其看作线弹性材料。开展对钢管混凝土支架与锚杆−索协同支护的力学分析[57]。如图4 所示，φ为所要计算的截面与竖直轴的夹角，顶拱处为0°；X1和X2分别为拱顶处的弯矩和轴力；σV和σH为作用在钢管混凝土支架上的竖向地应力和水平地应力；f为锚杆−索对钢管混凝土支架的作用力。则力法方程如式（1）所示。

图4 钢管混凝土支架与锚杆−索协同支护力学计算模型Fig.4 Mechanical calculation model of concrete filled steel tube support and bolt-cable cooperative support

式中：δ11，δ22，δ12和δ21为柔性系数；δij为j方向单位力引起的i方向的位移；Δ1p和Δ2p为外力σV和σH分别在X1和X2方向的位移。

令X1=1，X2=1，令δ12=δ21求出刚臂长度，各个柔性系数可得：

将式（2）−式（6）代入式（1），可得出X1和X2表达式如下：

则φ截面处的内力可得：

其中，Mφ，Nφ和Qφ为φ截面处总的弯矩，轴力和剪力；MP，NP和QP分别为外力σV和σH，f作用下在φ截面处产生的弯矩、轴力和剪力。MP，NP和QP如式（10）−式（12）所示。

结合式（7）−式（12），可得Mφ，Nφ，和Qφ的表达式如式（13）−式（15）所示。

分别取R=2.5 m、σV=20 000 kPa 和f= 0、50、100、150 和200 kN 代入式（13）−式（15），则可得到钢管混凝土支架中的内力。如图5a 和图6a 所示，当侧压力系数为0.5 时，钢管混凝土支架中的弯矩随着f的增加而逐渐增加，而当侧压力系数为1.5 时，钢管混凝土支架的弯矩随着f的增加逐渐减小。此外，打设锚杆−索后，钢管混凝土支架的轴力较钢管混凝土支架单独支护时有所减小（图5b 和6b）。值得注意的是，钢管混凝土支架两端的轴力随着f的增加而减小，这对抗拉性能较差的核心混凝土极为有利。与此同时，当侧压力系数为0.5 时，钢管混凝土支架中的剪切力随着f增加而逐渐增加（图5c），而当侧压力系数为1.5 时，钢管混凝土支架的中剪切力随着f增加而逐渐减小（图6c）。在钢管混凝土支架的中间部分，剪力发生了由外部集中力f引起的突然变化（图5c 和6c）。上述分析表明，打设锚杆−索后，不仅可以降低钢管混凝土支架中的弯矩和剪力以保护钢管，还可以降低钢管混凝土支架的轴力以保护抗拉性能较差的核心混凝土，这保证了钢管混凝土支架的高支护阻力。但由于深部巷道地应力较高，普通锚杆−索对于钢管混凝土支架内力的改善程度有限，可通过使用高强预应力锚杆−索提高对钢管混凝土支架内力的改善程度，且锚杆−索的具体打设位置要根据地应力条件进行分析。

图5 侧压力系数为0.5 时钢管混凝土支架内力分析Fig.5 Internal force analysis of concrete-filled steel tube support when lateral pressure coefficient is 0.5

图6 侧压力系数为1.5 时钢管混凝土支架内力分析Fig.6 Internal force analysis of concrete-filled steel tube support when lateral pressure coefficient is 1.5

3 深部巷道主被动全空间协同控制技术

图7 为深部巷道主被动全空间协同控制技术的流程。其主要包括巷道围岩结构精细识别、巷道围岩力学参数测试及巷道围岩主被动协同控制3 个步骤。首先，由于巷道围岩环境复杂，时常内部含有断层、层理、节理等构造，所以需要对巷道围岩进行径向与轴向的全方位探测，旨在对巷道围岩结构进行精细化识别，为支护方案的设计提供指导。然后，对巷道围岩进行采样，开展单轴和三轴压缩力学试验，从而得到巷道围岩的基本力学参数。最后，在将巷道围岩地质条件及力学参数精细识别后，使用纳米黏土材料注浆、开槽卸压和锚杆−索等主动支护方式让巷道围岩形成主动支护体，恢复其部分承载能力；与此同时，使用支护阻力高、承载性能强的钢管混凝土支架对巷道围岩进行被动支护，构成被动支撑圈，进而协助或调动巷道围岩发挥承载能力。主动支护体和被动支撑圈协同发挥作用，使得巷道围岩与支护体形成整体承载结构，共同控制巷道围岩的大变形。

图7 深部巷道主被动全空间协同控制技术流程Fig.7 Flow of active-passive full-space collaborative control technology for deep roadway

4 主被动全空间协同控制工程应用

主被动全空间协同控制技术已在多个矿区及现场进行了成功应用，解决了深部巷道“多次返修，多次失效”的支护难题，现在主被动协同控制技术现场施工工艺的基础上，选取2 个典型工程案例进行分析。

4.1 主被动全空间协同控制技术施工工艺

主被动全空间协同控制技术的核心是充分发挥巷道围岩的自承载能力和钢管混凝土支架的支撑能力，如图8 所示，其主要施工工艺包括安装钢管混凝土支架的反底拱段和两帮段，安装完套管后紧接着安装钢管混凝土支架的顶弧段，至此单个钢管混凝土支架的安装已完成，然后再使用连接杆将2 个钢管混凝土支架连接起来，防止其轴向方向的倾倒。为使得钢管混凝土支架对巷道围岩由线支护变为面支护，并减弱动压对钢管混凝土支架的影响，在钢管混凝土支架与围岩之间充填壁厚材料。整体安装完成后，通过钢管混凝土支架上的注浆口注射混凝土，并检测其密实度。最后，将锚杆−索通过半圆形环扣装置的翼缘孔打设进入巷道围岩，该装置可以将锚杆−索与钢管混凝土支架连接为一个整体，共同承载巷道变形。

图8 钢管混凝土支架+锚索主被动协同控制技术施工工艺流程Fig.8 Construction process flow of active-passive cooperative control technology for concrete-filled steel tube support and cable

4.2 深部动压巷道主被动协同控制

选取晋城胡底煤矿的1101 辅助运输大巷进行主被动全空间协同控制技术的应用，埋深约为800 m，顶底板均为泥岩，最大主应力为21.6 MPa。1101 大巷邻近多个工作面，工作面回采对其造成了极大的动压影响。在原支护方式下，巷道顶板向中间挤压变形，两帮和底板鼓出严重，最大变形量达到1 200 mm，巷道断面整体收缩变形较大，严重影响了巷道稳定和工作面回采进度。经过多次返修之后，巷道大变形状况无法得到有效控制。在进行了现场勘测、室内试验和数值模拟后，最终确定了以钢管混凝土支架为核心的主被动全空间协同支护方案。钢管混凝土支架的型号为ø194 × 10 mm，内部注入C30 混凝土，锚索直径为17.8 mm，长度为7 500 mm，使用C20 混凝土进行厚度200 mm 的喷浆，具体支护示意如图9 所示。

图9 胡底煤矿主被动全空间协同控制方案Fig.9 Active-passive full-space cooperative control scheme of Hudi Coal Mine

对胡底煤矿主被动全空间协同控制方案支护段进行了变形量监测，如图10a 所示。经过200 d 的现场观测发现，巷道两帮收敛量稳定在50～52 mm，顶底板收敛量稳定在25～26 mm。除此之外，胡底煤矿1101 大巷的最终控制效果如图10b 所示，可以看出，较原支护方案，巷道围岩在主被动协同控制下整体并没有出现较大变形。上述结果表明胡底煤矿的1101 大巷在主被动全空间协同支护方式的控制下，整体控制效果较好，保证了巷道稳定和整个矿井的安全生产。

图10 胡底煤矿主被动全空间协同变形监测及控制效果Fig.10 Active-passive full-space collaborative deformation monitoring and control effect of Hudi Coal Mine

4.3 深部软岩巷道主被动协同控制

阳泉新元煤矿的冀家垴风井车场巷道是进风立井与辅运大巷的关键枢纽，埋深约506 m，顶底板均为黑色泥岩，黏土矿物含量达到52.2%，遇水极易膨胀软化，且受到周边其它巷道的多次扰动影响。在原“U 型钢+锚索”支护下，U 型钢侧帮折断，顶拱弯曲，混凝土喷浆开裂，顶板下沉严重，最大下沉量达到约1 100 mm，局部出现空顶。帮部最大变形量达到约350 mm，巷道断面急剧收缩，整个支护体系失效。在多次返修之下，巷道变形量仍难以控制。经过现场调研、室内参数测试和数值计算之后，将“钢管混凝土支架+锚杆−索+喷浆”作为最终的主被动全空间协同控制方案，其支护示意如图11 所示。钢管混凝土支架采用ø194 mm× 10 mm，套管为ø223 mm ×10 mm，内部注射混凝土为C40，锚杆使用ø20 mm ×2 000 mm，锚索使用ø21.6 mm × 8 200 mm，喷浆材料为C30，厚度为100 mm。

图11 新元煤矿主被动全空间协同控制方案Fig.11 Active-passive full-space cooperative control scheme of Xinyuan Coal Mine

在整个主被动全空间协同控制技术实施段的开头和中间选取2 个测站进行变形量监测，如图12a所示，测点1 的两帮收敛量为25～26 mm，顶底板收敛量为54～55 mm；测点2 的两帮收敛量为34～35 mm，顶底板收敛量为42～43 mm。最终的实际控制效果如图12b 所示，原支护方式下巷道断面已不能正常通行，严重阻碍了正常生产；而在主被动全空间协同控制下，巷道整体并未出现较大变形，断面完整度保持良好，保障了巷道长期稳定，以及其他采区的正常开采。

图12 新元煤矿主被动全空间协同变形监测及控制效果Fig.12 Active-passive full-space collaborative deformation monitoring and control effect of Xinyuan Coal Mine

5 结 论

1）煤矿巷道围岩最大主应力与最大抗压强度与巷道埋深都为正相关，但决定支护方式的关键因素为应力强度比，应力强度比越大，巷道围岩的损伤程度越高，修复难度越大，需要的支护阻力越大。

2）随着开采深度的增加，煤矿巷道支护方式经历了弱被动−主动−强主动−强被动，提出了主被动全空间协同支护方式是未来应对千米深井的一种可能支护方式。该技术的主要思想是首先通过卸压、注浆、锚杆−索等主动支护方式修复巷道围岩，形成主动支护体，使其恢复部分承载能力；然后使用钢管混凝土支架等给予巷道围岩较大的支护阻力，构成被动支撑圈，协助或调动其发挥承载能力。

3）主被动全空间协同控制技术的实质是通过主动支护体与被动支撑圈协同承载，共同控制巷道变形，最终将巷道应力场调控至与地应力相匹配的等效应力状态，是等强支护理论及技术在现场实施的一种，已在晋城胡底煤矿、阳泉新元煤矿等多个深部动压巷道与软岩巷道中成功应用。