深部高应力软岩巷道围岩破坏机理及全锚索支护技术研究

董社

（河南能源集团有限公司焦煤公司古汉山矿，河南焦作 454000）

0 引言

深井动力灾害的显现特征、演化规律以及致灾机制均不同于浅部矿井[1-3]。进入深部开采阶段后，深部岩体呈现软岩特征，随之发生的大变形动力现象尤为突出，造成深部软岩巷道支护困难[4-6]。为此，专家学者对深部高应力软岩巷道围岩控制技术开展了大量研究，取得了丰富的研究成果。

康红普等为表征深部软岩巷道围岩扩容与流变特性模型问题，将改进的应变软化塑性体、改进黏塑性体和伯格斯体进行串联[7]；张红军等研发了一种由杆体1、托盘、杆体2、夹片、连接套、滑移套管、锥形套等组成的新型高预应力增锚杆来控制深部高应力软岩巷道围岩大变形[8]；左建平等针对深部软岩巷支护困难的问题，提出了开槽卸压控制技术，并建立了开槽卸压等效椭圆模型，揭示了开槽卸压控制深部软岩巷道围岩大变形机理[9]；孟庆彬等自主研制了破裂岩样承压注浆试验设备，开展了破裂岩体注浆加固力学特性试验[10]。

古汉山矿1606 底抽巷回风巷是典型的深部软岩巷道。该区域巷道掘出后，围岩短时间内即发生大变形。本文通过建立该矿1606 底抽巷回风巷围岩变形破坏的数值模型，分析研究深部软岩巷道变形破坏机理，提出深部软岩巷道“短锚索固帮+长锚索强顶”的全锚索加固技术。现场工程实践表明，采用该技术后，可明显控制深部软岩巷道围岩大变形，对提高支护刚度与强度，以及锚固范围内的破碎围岩力学性质具有显著作用。

1 概况

古汉山井田位于焦作市东北，井田走向长10 km，倾向宽1.7 km。1606 底抽巷回风巷地面标高+96.1—+97.8 m，井下标高-603—-627 m，已进入深部开采序列，巷道揭露区域围岩体呈现出典型的软岩特征。巷道设计为直墙半圆拱形，设计长度为101.5 m，巷道掘进宽度为5200 mm，掘进高度为4100 mm，直墙高度为1500 mm，掘进断面面积为18.4 m2。

2 深部高应力软岩巷道围岩破坏数值模拟分析

基于古汉山矿1606 底抽巷回风巷生产地质条件，建立FLAC3D 数值模型，模型长×宽×高为80 m×60 m×80 m，巷道为直墙拱型。模型四周边界与底部边界固定速度，模型顶部边界为垂直应力边界，侧压系数取值1.2，摩尔-库伦强度准则为材料变形破坏强度准则。巷道开挖无支护情况下的巷道围岩塑性区、垂直应力分布及偏应力分布情况如图1 所示。

图1 巷道开挖无支护情况下的巷道围岩塑性区、垂直应力分布及偏应力分布Fig.1 The plastic zone,vertical stress and deviatoric stress distribution of roadway surrounding rock without support in roadway excavation

由图1 可知，巷道开挖后，在没有支护情况下，巷道围岩塑性区较大，且巷道肩角及顶板塑性区深度明显大于巷道两帮及底板；巷道顶底板在开挖后形成较大范围的应力低值区，巷帮深部围岩则形成近似对称的应力集中区域；此外，巷道开挖后，围岩将形成偏应力环形峰值带，且距离巷道表面较远。

3 深部高应力软岩巷道围岩破坏机理分析

（1） 深部高应力导致巷道围岩发生大变形破坏。进入深部开拓阶段后，深部岩体处于高渗透压力、高地应力、高地温梯度和强烈采掘扰动的“三高一扰动”相互耦合的复杂环境，随之发生的大变形动力现象尤为突出，造成深部巷道支护困难。

（2） 古汉山矿1606 底抽巷回风巷围岩岩性较为松软、破碎，整体性差，属于典型的软岩巷道，在深井高应力复杂环境下，易导致巷道围岩进一步劣化，巷道围岩扩容和流变效应凸显，使得巷道围岩控制难度加大。

4 深部高应力软岩巷道围岩控制对策及支护技术

4.1 围岩控制对策

巷道围岩塑性区深度远超出传统锚杆支护范围，巷道围岩全断面利用锚索代替错杆进行支护，扩大锚固结构控制范围。巷道围岩全锚索支护系统能充分发挥其施加高预紧力的优势，使锚索控制范围内的岩体近似呈三向受压状态，有效控制浅部围岩受开挖或采动影响而诱发的裂隙拓展，围岩松动破碎圈范围大幅缩减，使得巷道围岩松动破碎带范围控制在锚索支护范围内。

考虑到巷道顶板及肩角围岩破坏程度大于巷道两帮破坏程度的围岩破坏特征，本文特提出深部软岩巷道“短锚索固帮+长锚索强顶”的全锚索控制对策。

4.2 支护技术参数

巷道永久支护为锚网喷支护，锚网索喷支护后巷道净宽5000 mm，净高4000 mm，直墙高度1500 mm，基础深度100 mm，初喷厚度为20 ～50 mm，净断面为17.3 m2。顶板打设φ21.6 mm×7300 mm锚索，帮部打设中φ17.8 mm×4300 mm 高强预应力锚索，错索间排距为800 mm×800 mm，顶板锚索预紧力为300 kN，帮部锚索预紧力为200 kN，喷浆厚度为≤100 mm。外露长度为150～250 mm（锁具以外）。混凝土拌料选用P.C42.5 复合硅酸盐水泥，砂为机制砂，石子粒径为5 ～10 mm，速凝剂型号为782-3 型。混凝土重量配合比水泥∶机制砂=1∶4，速凝剂掺入量为水泥用量的3%～5%，其最小值不低于标准值的90%为合格。现场巷道支护方案如图2 所示。

图2 现场巷道支护方案Fig.2 On-site roadway support scheme

为了解巷道围岩采取新技术后的控制效果，开展了深部软岩巷道“短锚索固帮+长锚索强顶”的全锚索加固技术围岩控制效果的数值模拟研究，锚杆锚索采用cable 结构单元进行模拟，喷浆层采用shell 结构单元进行模拟。模拟结果如图3 所示。

图3 新支护情况下的巷道围岩塑性区、垂直应力分布及偏应力分布Fig.3 The plastic zone,vertical stress and deviatoric stress distribution of roadway surrounding rock with support in roadway excavation

由图3 可知，巷道围岩采用“短锚索固帮+长锚索强顶”的全锚索加固技术后，巷道围岩塑性区明显减小，且锚索均可锚固在稳定的弹性区岩体中，巷道围岩应力低值区域范围明显缩小且偏应力峰值带明显向围岩浅部转移。表明新技术明显改善了围岩浅表面的应力环境，使得浅部围岩承载能力得到较大幅度提升。

4.3 现场应用效果

采用十字测点法对巷道顶底板及两帮围岩收敛情况进行观测，观测结果如图4 所示。

图4 巷道顶底板及两帮围岩收敛情况Fig.4 The surrounding rock convergence of the roof,floor and the two sides

巷道围岩采用“短锚索固帮+长锚索强顶”的全锚索加固技术后，围岩变形得到了较好控制，顶底板变形程度整体上大于巷帮变形程度。巷道顶底板相对移近量最终稳定在105 mm 左右，巷道帮部移近量稳定在91 mm 左右，围岩的变形量较小，处于可控范围内，该技术实现了对巷道围岩的有效控制。

5 结语

（1） 本文建立了深部高应力软岩巷道围岩破坏数值模型，探究深部高应力软岩巷道围岩破坏机理，提出了深部高应力软岩巷道围岩控制对策，并提出深部软岩巷道“短锚索固帮+长锚索强顶”的全锚索加固技术。

（2） 巷道围岩全锚索支护系统能充分发挥其施加高预紧力的优势，使锚索控制范围内的岩体近似呈三向受压状态，有效控制浅部围岩受开挖或采动影响而诱发的裂隙拓展，围岩松动破碎圈范围大幅缩减，使巷道围岩松动破碎带范围控制在锚索支护范围内。

（3） 现场工程实践表明，该技术可提高支护刚度与强度，以及锚固结构范围的破碎围岩力学性质，巷道顶底板相对移近量最终稳定在105 mm 左右，巷道帮部移近量稳定在91 mm 左右，围岩变形量较小，该技术实现了对巷道围岩的有效控制。