受高水平構(gòu)造應(yīng)力影響的軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究

王子越孫維順湯 梁

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；2.鞍山市工業(yè)研究院，遼寧省鞍山市，114000；3.神華能源股份有限公司神東煤炭分公司寸草塔煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017209）

受高水平構(gòu)造應(yīng)力影響的軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究

王子越1孫維順2湯 梁3

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；2.鞍山市工業(yè)研究院，遼寧省鞍山市，114000；3.神華能源股份有限公司神東煤炭分公司寸草塔煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017209）

針對(duì)白皎煤礦2410巷道受高量值水平構(gòu)造應(yīng)力影響且圍巖極其軟弱的特點(diǎn)，對(duì)巷道變形特征進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。分析了裸巷開挖、低預(yù)緊力支護(hù)和高預(yù)緊力支護(hù)條件下巷道變形特征和塑性區(qū)分布情況，最終確定高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿索聯(lián)合支護(hù)方案。方案實(shí)施后，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明錨桿索預(yù)緊力較高時(shí)，巷道圍巖變形得到有效控制，錨桿索最終穩(wěn)定工作載荷與初始預(yù)緊力相差不大。

軟巖巷道 巷道支護(hù) 錨桿索聯(lián)合支護(hù) 構(gòu)造應(yīng)力 高預(yù)緊力 礦壓監(jiān)測(cè)

白皎煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤系地層受燕山運(yùn)動(dòng)的擠壓作用，形成以逆斷層為主的斷裂構(gòu)造，導(dǎo)致水平應(yīng)力較高。2410巷道在四煤層底板之中掘進(jìn)，巷道穿過多層不同巖性巖石掘進(jìn)，巖層強(qiáng)度低、松散破碎、遇水泥化膨脹。2410巷道為典型的高水平構(gòu)造應(yīng)力影響的軟巖巷道，支護(hù)難度較大。

由于巷道穿過多巖層掘進(jìn)且掘進(jìn)范圍內(nèi)有多個(gè)斷層，巷道圍巖完整性差，再加之高水平構(gòu)造應(yīng)力影響，在四煤層底板之中掘進(jìn)的巷道大多存在穩(wěn)定時(shí)間短、巷道變形嚴(yán)重、需多次返修的問題，巷道安全不能保證。致使巷道掘進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)、采掘接續(xù)緊張，且巷道往往需要多次返修，導(dǎo)致大量人力物力損耗，給礦井安全高效生產(chǎn)帶來極大隱患。本文對(duì)該條件下巷道圍巖變形特征、控制難點(diǎn)和支護(hù)對(duì)策進(jìn)行研究。

1　工程概況及技術(shù)支護(hù)難點(diǎn)

1.1工程概況

2410巷道埋深為546.2～664.7 m，為全巖巷道，所穿巖層為砂巖、粘土巖、頁巖、煤線等。為確定底板巷道圍巖中膨脹性礦物的種類和含量，在2410巷道掘進(jìn)50 m后取巖樣，對(duì)巷道圍巖礦物組分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

表1　2 4 1 0巷道礦物全巖成分分析%

從分析結(jié)果可以看出，四煤層底板巖體中黏土礦物占到64.7%～77.8%，平均69.8%，其種類主要為遇水易膨脹的伊蒙混層和高嶺石，還有遇水易泥化的綠泥石類，其導(dǎo)致了圍巖易發(fā)生泥化膨脹。

通過水壓致裂法對(duì)白皎礦地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。白皎礦垂直應(yīng)力為10.74 MPa，南北方向水平應(yīng)力17.25 MPa，是自重應(yīng)力的1.7倍；沿東西方向水平應(yīng)力達(dá)到28.7 MPa，是自重應(yīng)力的2.8倍。礦區(qū)應(yīng)力場(chǎng)為以水平應(yīng)力為主的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

1.2支護(hù)難點(diǎn)

（1）2410巷道底板巖層巖性主要是泥巖和粘土巖，強(qiáng)度低，普氏硬度系數(shù)0.3～1.5，遇水軟化明顯，軟化系數(shù)為0.27～0.35，彈性模量不高。粘土巖和泥巖中高嶺石含量高達(dá)13%～26%，伊蒙混層含量達(dá)7%～27%，高嶺石具有強(qiáng)流變性，伊蒙混層具有強(qiáng)膨脹性，巖層屬于典型的膨脹性軟巖。

（2）巷道地質(zhì)條件復(fù)雜，埋深大，地應(yīng)力量值較高，且以水平應(yīng)力為主，水平應(yīng)力是自重應(yīng)力的1.7～2.8倍，這也是導(dǎo)致巷道難以支護(hù)的主要原因之一。

2　巷道變形機(jī)理數(shù)值模擬

為了揭示巷道破壞機(jī)理，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模型參數(shù)基于地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果。共進(jìn)行3種方案數(shù)值模擬計(jì)算:裸巷開挖無支護(hù)數(shù)值模擬、低預(yù)緊力支護(hù)數(shù)值模擬和高預(yù)緊力支護(hù)數(shù)值模擬。

2.1無支護(hù)巷道的變形破壞特征

無支護(hù)狀態(tài)下，巷道兩幫移近量為800 mm，底鼓量達(dá)600 mm，頂板下沉量達(dá)400 mm，巷道變形量較大。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與底板巷道實(shí)際變形特征一致，說明模型力學(xué)參數(shù)、本構(gòu)模型、計(jì)算步驟選擇合理。無支護(hù)狀態(tài)下，巷道塑性區(qū)范圍較大，主要為拉伸破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)，拉伸破壞區(qū)分布于巷道頂板圍巖，剪切破壞區(qū)主要分布于巷道底部和兩幫。根據(jù)無支護(hù)巷道變形模擬結(jié)果，巷道變形特征為在高水平構(gòu)造應(yīng)力和膨脹性軟巖的影響下發(fā)生底鼓，進(jìn)而導(dǎo)致兩幫失穩(wěn)和頂板下沉，因此應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)底板和兩幫支護(hù)。

2.2低預(yù)緊力支護(hù)巷道的變形破壞特征

低預(yù)緊力支護(hù)狀態(tài)下，兩幫移近量為500 mm，底鼓量250 mm，頂板下沉量200 mm，與不支護(hù)相比，巷道變形得到一定控制，但變形量仍然較大。巷道圍巖塑性區(qū)范圍沒有明顯變化，支護(hù)效果不理想，不能充分發(fā)揮錨桿索的主動(dòng)支護(hù)作用。

2.3高預(yù)緊力支護(hù)巷道的變形破壞特征

設(shè)置錨桿預(yù)緊力為50 k N，錨索預(yù)緊力為200 k N進(jìn)行模擬。在高預(yù)緊力支護(hù)狀態(tài)下，巷道兩幫移近量為140 mm，僅為不支護(hù)狀態(tài)下的17.5%；底鼓量為90 mm，頂板下沉量為70 mm，與不支護(hù)相比分別下降85%和82.5%，支護(hù)效果較為理想，巷道變形得到有效控制。

高預(yù)緊力支護(hù)條件下巷道塑性區(qū)主要為拉伸破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)，拉伸破壞區(qū)主要分布于巷道頂部圍巖，剪切破壞區(qū)分布在巷道底部和兩幫。高預(yù)緊力支護(hù)狀態(tài)下，巷道塑性區(qū)范圍明顯縮小。

模擬結(jié)果表明，采用高預(yù)緊力支護(hù)方案后，支護(hù)效果明顯，巷道圍巖變形可以得到有效控制。

3　支護(hù)對(duì)策分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合高水平構(gòu)造應(yīng)力影響軟巖巷道變形特征，基于高預(yù)緊力強(qiáng)力支護(hù)理論，依據(jù)高預(yù)緊力和預(yù)緊力擴(kuò)散原則和高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則，提出如下支護(hù)對(duì)策:

（1）加強(qiáng)幫部支護(hù)。由于圍巖疏松破碎，炮掘成巷后，巷道表面凹凸不平，錨桿托盤難以緊貼巖壁。因此，應(yīng)采用W鋼護(hù)板配合拱形托盤作為錨桿支護(hù)護(hù)表構(gòu)件，以擴(kuò)大護(hù)表面積，同時(shí)將后部巖體壓實(shí)，提高預(yù)緊力擴(kuò)散效果。

（2）采用高強(qiáng)度錨桿錨索支護(hù)。根據(jù)鄰近巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，后期巷道變形較大時(shí)，會(huì)發(fā)生錨桿索破斷現(xiàn)象，因此，應(yīng)采用強(qiáng)度和剛度較高的錨桿索進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)配合拱形托盤和調(diào)心球墊，避免錨桿索尾部受剪，發(fā)生剪切破壞。

（3）提高預(yù)緊力施加水平。數(shù)值模擬結(jié)果表明，預(yù)緊力是決定巷道支護(hù)效果的重要因素，因此，錨桿預(yù)緊力矩不能低于400 N·m，錨索應(yīng)張拉到300 k N以上，并加強(qiáng)施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)，確保錨桿索預(yù)緊到位。同時(shí)加長(zhǎng)錨桿、錨索錨固段長(zhǎng)度，保證錨固力與錨桿錨索強(qiáng)度相匹配。

（4）由于圍巖易風(fēng)化崩解，巷道開挖支護(hù)完畢后要及時(shí)噴漿封閉圍巖。

4　支護(hù)方案

根據(jù)支護(hù)對(duì)策，確定高預(yù)緊力錨桿索聯(lián)合支護(hù)方案。2410巷道斷面為直墻半圓拱形，高度3500 mm，寬度3800 mm。頂板、幫部錨桿采用規(guī)格為?22 mm×2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼，桿體鋼號(hào)為BHRB500，配備承載能力不低于260 k N的規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm拱型高強(qiáng)度托板和規(guī)格為450 mm×280 mm×4 mm W鋼護(hù)板作為錨桿護(hù)表構(gòu)件，錨桿間排距為900 mm× 1000 mm，錨桿預(yù)緊扭矩大于400 N·m。

頂板采用1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，規(guī)格為?22 mm×5300 mm，每排3根，間距1200 mm；幫部采用規(guī)格為?22 mm×3300 mm錨索，每排2根，間距1100 mm，錨索尾部采用配套的高強(qiáng)度鎖具，托板規(guī)格為300 mm× 300 mm×16 mm高強(qiáng)度拱形大托板，托板承載力與錨索索體相匹配，錨索初始預(yù)緊力大于300 k N。2410巷道斷面支護(hù)參數(shù)見圖1。

圖1　2410巷道斷面支護(hù)參數(shù)

5　巷道支護(hù)效果分析

5.1巷道表面位移監(jiān)測(cè)

在2410巷道布置表面位移測(cè)站，經(jīng)過10 d連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示巷道兩幫移近量?jī)H為3 mm，頂板下沉量?jī)H為4 mm，且變形不再發(fā)展。巷道表面位移較小，圍巖變形得到有效控制，支護(hù)效果較好。

5.2錨桿索受力監(jiān)測(cè)

2410巷道掘進(jìn)200 m后，布置測(cè)站對(duì)錨桿、錨索受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，錨桿、錨索測(cè)力計(jì)編號(hào)見圖1。1*～9*錨桿預(yù)緊力分別為29.9 k N、56.4 k N、41 k N、31.2 k N、67.6 k N、101.6 k N、55.3 k N、60.3 k N、49.6 k N，均值為55.8 k N，最高達(dá)到101.6 k N，預(yù)緊力水平較高。經(jīng)過10 d連續(xù)監(jiān)測(cè)，預(yù)緊力水平較高的2*、3*、5*、6*、7*、8*、9*錨桿的工作阻力與預(yù)緊力相比基本沒有上升，說明預(yù)緊力數(shù)值較高時(shí)，支護(hù)系統(tǒng)剛度較大，支護(hù)范圍內(nèi)圍巖穩(wěn)定；1*、4*錨桿預(yù)緊力水平較低，工作阻力與預(yù)緊力相比有較大上升。全部錨桿工作阻力趨于穩(wěn)定，說明錨桿支護(hù)范圍內(nèi)圍巖穩(wěn)定，不再發(fā)生變形。

對(duì)錨索受力監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，1#～5#錨索預(yù)緊力分別為121 k N、139.4 k N、164.1 k N、153.1 k N、140.3 k N，均值為144 k N，最高達(dá)到164.1 k N，預(yù)緊力水平較高。經(jīng)過10 d連續(xù)監(jiān)測(cè)，錨索的工作阻力與預(yù)緊力相比變化不大，說明預(yù)緊力數(shù)值較高時(shí)，支護(hù)系統(tǒng)剛度較大，支護(hù)范圍內(nèi)圍巖穩(wěn)定，不再發(fā)生變形。

6　結(jié)論

（1）白皎煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，埋深大，水平構(gòu)造應(yīng)力高，煤系地層巖性主要是砂質(zhì)泥巖和粘土巖，黏土礦物含量較高，遇水易泥化。煤系底板巖巷屬于高構(gòu)造應(yīng)力影響軟巖巷道，支護(hù)難度較大。

（2）2410巷道變形破壞的主要特征為底鼓明顯。2410巷受膨脹性圍巖和較高水平構(gòu)造應(yīng)力影響，底鼓嚴(yán)重，同時(shí)導(dǎo)致兩幫破壞，頂板下沉，因此應(yīng)加強(qiáng)底板兩幫支護(hù)，同時(shí)及時(shí)噴漿封閉巷道。

（3）2410巷道表面位移監(jiān)測(cè)及錨桿、錨索受力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)說明采用高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)方案后，巷道穩(wěn)定，圍巖變形得到有效控制。實(shí)踐證明高預(yù)緊力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)可以有效解決高水平構(gòu)造應(yīng)力影響軟巖巷道支護(hù)難題。

［1］ 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007

［2］ 王金華.我國煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的新發(fā)展 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007（2）

［3］ 馮京波.松散厚煤層全煤巷沿空掘巷錨索支護(hù)技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008（2）

［4］ 張輝，賈后省，馮井龍.弱粘結(jié)復(fù)合頂板煤巷錨桿（索）支護(hù)設(shè)計(jì)方法研究［J］.中國煤炭，2015（7）

［5］ 楊樹軍.深部巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試及支護(hù)方式設(shè)計(jì)［J］.中國煤炭，2015（4）

［6］ 李建波.鋼帶的力學(xué)性能與支護(hù)效果研究 ［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2008

［7］ 康紅普，吳擁政，李建波.錨桿支護(hù)組合構(gòu)件的力學(xué)性能與支護(hù)效果分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010（7）

［8］ 申志平，何杰，吳擁政.潞寧礦區(qū)松軟特厚煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐［J］.煤礦開采.2013（4）

［9］ 馬長(zhǎng)樂，吳擁政，何杰.預(yù)應(yīng)力損失對(duì)高預(yù)應(yīng)力全錨索支護(hù)技術(shù)的影響［J］.煤礦開采，2012（2）

（責(zé)任編輯 張毅玲）

Research on supporting technology of soft rock roadway affected by high horizontal tectonic stress

Wang Ziyue，Sun Weishun，Tang Liang
（1.Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.Anshan Industrial Research Institute，Anshan，Liaoning 114000，China；3.Cuncaota Coal Mine，Shendong Branch of Shenhua Energy Co.，Ltd.，Erdos，Inner Mongolia 017209，China）

The 2410 roadway of Baijiao Coal Mine was affected by high horizontal tectonic stress and extremely weak surrounding rock，aiming at these geological mechanics features，the deformation characteristics of roadway was researched with numerical simulation.The deformation characteristics of roadway and the distribution features of plastic zones were analyzed with three supporting modes，no supporting，low pre-tightening supporting and high pre-tightening supporting，then the high strength bolt-cable combined supporting method with high pre-tightening force was selected.Practice and rock pressure monitoring results showed that the surrounding rock deformation was effectively controlled when the pre-tightening force was relatively high，and finally the stable working resistance of anchor bolt and cable was nearly equal with the initial pre-tightening force.

soft rock roadway，roadway supporting，bolt-cable combined supporting，tectonic stress，high pre-tightening force，rock pressure monitoring

TD353

A

王子越（1988-），男，山東濱州人，主要從事巷道支護(hù)技術(shù)研究工作。