复杂地形条件井下围岩支护技术的研究

王 伟

（山西焦煤西山煤电晋邦德煤矿， 山西 吕梁 033000）

0 引言

随着我国浅层煤炭资源的日益枯竭，目前多数煤矿的开采已经进入到深部综采阶段，不仅综采难度加大，而且综采过程中巷道围岩的稳定性急剧恶化，导致综采作业受阻，严重影响了井下综采作业效率和安全的进一步提升，因此迫切对现有的井下巷道支护体系进行优化，提高其支护稳定性，满足支护可靠性的需求[1]。

本文以井下回采巷道为工程背景，在对巷道围岩破坏现象进行分析的基础上，揭示了复杂地形条件下围岩发生破坏的机理，提出采用恒阻大锚索进行补充加强的方案，结合恒阻大锚索对围岩变形时对能量的吸收转换特性，提出了一种新的复杂地形条件下的耦合支护方案，对该方案的应用和效果进行了分析，结果表明，新的支护方案，能够将井下围岩变形平均降低44.375%，将对巷道综采的超前影响范围降低40%。对提升煤矿井下巷道围岩稳定性具有十分重要的意义。

1 原支护方案及破坏现象分析

以煤矿井下回采巷道为例，其采深为471 m，巷道为矩形巷道，规格为3.5 m×5.2 m，采用了钢带+锚网索联合支护的方式，在巷道顶板处采用了直径为22 mm 的高强度螺纹钢锚杆，锚杆之间的距离为800 mm，锚索采用了直径为21.6 mm 的锚索，各个锚索之间的距离设置为2.4 m×1.6 m。在巷道的两帮，采用了直径为20 mm 的锚杆，锚杆的间距设置为0.8 m，在锚杆和锚索支护处增加钢网及钢带加强。

在回采作业过程中由于支护稳定性差，导致巷道顶板下沉量大、围岩两帮变形量最大达到了800 mm，支护用的锚杆、锚索经常受力破断，需要不断补强加固，严重影响了井下生产的正常进行，井下破坏结构如图1 所示。

图1 井下围岩变形示意图

2 井下围岩变形机制分析

为了对井下围岩变形原因进行分析，利用FLAC仿真建模软件[2]，建立井下巷道地质结构模型，通过对井下实际地质状态的分析确定巷道内不同层次岩层的密度、体积模量、剪切模量及黏聚力，通过对巷道综采作业过程中矿压波动及综采扰动量的分析，加载在巷道上的边界载荷为16 MPa。然后再利用程序编辑钢带+锚网索联合支护时的锚杆和锚索单元，用于分析在受力时的变化情况，巷道受扰动情况下的受力分布如图2 所示。

图2 井下巷道受力分布示意图

由图2 可知，井下巷道在受力情况下，其在支护区域的垂直应力主要分布在巷道两帮，但右侧的应力集中分布相对较为严重。剪切应力主要分布在巷道底板的两个底角位置以及巷道顶板的两个肩窝的位置。井下的水平应力主要是集中在巷道顶板的中砂岩层内，因此当中砂岩层的稳定性被破坏以后能够快速的释放大量的能量，极易诱发井下矿压冲击。

井下巷道围岩在经历多次应力冲击后，围岩的塑性变形区域增大，顶板位置的岩层强度更高因此塑性变形区域相对于底板位置更小，再加上在底板区域的应力集中，会导致底板处存在着大量的拉应力和剪切单元，加剧底板的破坏，由于围岩是一个整体，因此会随着底板的变形，导致整体变形加剧，锚杆和锚索的弹性变形小，无法适应巷道围岩的变形，因此导致了受力拉断，造成巷道围岩的失稳。

3 耦合支护方案

为了解决巷道围岩变形情况下锚索、锚杆变形量大、受力破坏的情况，本文提出采用恒阻大变形锚索支护的方案，恒阻大变形锚索主要由杆体、连接套、恒阻器和螺母构成，整体结构如图3 所示。

图3 恒阻大锚索结构示意图

通过测试，恒阻大锚索在受到1 J 能量冲击情况下的锚杆变形量约为0.007 2 mm[3]，对能量的吸收效果极其显著。当固定进岩层后，能够通过高预应力对围岩进行加固，解决了传统锚杆锚索支护时预紧力施加不足的难题。当围岩出现变形后，恒阻大变形锚索通过吸收冲击能量并通过恒阻器的变形来保证支护过程中的恒阻力，避免了矿用波动时冲击能量的外泄[4]，实现了对巷道围岩的防冲击耦合支护。

因此为了对该耦合方案的实际应用效果进行分析，对原始巷道围岩支护情况进行优化，采用恒阻大变形锚索+钢网+钢带的组合式支护，来提高井下围岩在工作过程中的稳定性，新的支护体结构如图4 所示[5]。

图4 井下耦合支护结构示意图（单位：mm）

4 支护稳定性分析

为了对实际应用情况进行验证，在井下回采巷道具有高冲击特性的危险区域进行验证，在区域内布置2 个观测点，对在综采作业过程中的围岩变形量进行检查，优化前后综采作业过程中的变形量如图5 所示。

图5 优化前后巷道围岩变形情况对比

由图5 监测结果分析可知，优化前巷道顶板的最大变形量为241 mm，优化后为121 mm，比优化前降低了49.8%。优化前巷道底鼓量约为302 mm，优化后为176 mm，降低了41.7%。优化前巷道东帮变形量约为277 mm，优化后为162 mm，降低了41.5%。优化前巷道西帮变形量约为265 mm，优化后为147 mm，降低了44.5%。

可以看出，优化后的耦合支护方式，能够将巷道围岩的平均变形量降低44.375%，能够显著降低在综采作业过程中巷道围岩的变形量，有效提高了综采作业过程中的稳定性，同时通过对巷道综采的超前影响范围分析，优化后的影响范围由37 m 降低到了22.2 m，影响范围缩小了40%。

5 结论

1）井下巷道围岩塑性变形区域增大，在底板区域的应力集中，破坏加剧，因此导致整体变形加剧，锚杆和锚索的弹性变形小，无法适应巷道围岩的变形，因此导致了受力拉断，造成巷道围岩的失稳。

2）恒阻大变形锚索主要由杆体、连接套、恒阻器和螺母构成，当围岩出现变形后，锚索通过吸收冲击能量并通过恒阻器的变形来保证支护过程中的恒阻力，提高了支护稳定性。

3）耦合支护方案，能够将井下围岩变形平均降低44.375%，将对巷道综采的超前影响范围降低40%。对提升煤矿井下巷道围岩稳定性具有十分重要的意义。