深部煤巷穩(wěn)定性錨網(wǎng)耦合支護一體化控制技術(shù)

丁良臣

摘 要：要維持巷道及支護體的穩(wěn)定，必須保證支護體與圍巖的耦合，同時，在最佳支護時段內(nèi)實施支護，此時的支護荷載為軟巖巷道最小支護荷載，即軟巖巷道耦合支護荷載。

關鍵詞：深部煤巷；穩(wěn)定性；錨網(wǎng)耦合支護一體化

深部巷道穩(wěn)定性問題是研究開挖后的圍巖工程地質(zhì)系統(tǒng)與支護系統(tǒng)相互作用達到二次穩(wěn)定的復雜力學問題。巷道開挖后，原有的三向應力平衡狀態(tài)被打破，變?yōu)殡p向應力狀態(tài)，圍巖應力進行重新調(diào)整和分布，完整性較差的圍巖很快就會進入塑性、粘塑性和流變大變形階段，如果此時支護體和圍巖之間出現(xiàn)強度、剛度和結(jié)構(gòu)上的不耦合，會加速圍巖的變形破壞，出現(xiàn)大面積的頂幫下沉、臌幫等現(xiàn)象。

考慮到錨固體和圍巖的機械作用，錨桿與圍巖的組合系統(tǒng)可以被分成兩個平衡體：一個是沒有錨桿支護的原始巖體，另一個是施加錨桿軸力作用的組合系統(tǒng)，實際錨桿的作用是兩個系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果。

1 錨桿與圍巖耦合作用分析

傳統(tǒng)的組合拱設計觀點認為，巷道圍巖注入錨桿后所形成的組合拱厚度與錨桿的間排距、錨桿對巖體的控制角α有關（圖1），一般α取45°。根據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)果，α的取值及錨桿調(diào)動巖體的范圍應根據(jù)錨桿圍巖的耦合程度來確定。

由于巖體開挖，頂部巖體要向下移動、變形，下部巖體和上部巖體的變形大小是不同的，錨桿的存在，增大了巖體整體的剛度，使巖體的變形更加協(xié)調(diào)，下部巖體變形比上部巖體的變形要大的多，此時錨桿就處于一種受拉狀態(tài)，當錨桿頂端深入穩(wěn)定巖體中時，錨桿對于下部巖體起著懸吊作用。

2 錨網(wǎng)與圍巖耦合作用機理分析

錨網(wǎng)和圍巖的耦合作用十分重要，過強或過弱的錨網(wǎng)支護，都會引起局部應力集中而造成巷道破壞。只有當錨網(wǎng)和圍巖強度、剛度達到耦合時，變形才能相互協(xié)調(diào)。達到耦合的標志是圍巖應力集中區(qū)在協(xié)調(diào)變形過程中，向低應力區(qū)轉(zhuǎn)移和擴散，從而達到最佳支護效果。

2.1圍巖集中應力區(qū)向低應力區(qū)的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象

數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，在巷道掘進初期，巷道圍巖頂部應力迅速集中，是巷道垮落危險區(qū)域；在實施錨網(wǎng)耦合支護后，頂部應力集中區(qū)迅速下降，而幫部低應力區(qū)應力狀態(tài)迅速提高，整個圍巖不同部位應力狀態(tài)趨于均勻化。由此可見，實施錨網(wǎng)耦合支護技術(shù)以后，圍巖支護狀態(tài)從開放環(huán)境到封閉力學環(huán)境，圍巖集中應力區(qū)向低應力區(qū)發(fā)生了轉(zhuǎn)移和擴散，整個應力擴散均勻化過程是通過錨網(wǎng)耦合設計自動實現(xiàn)。

2.2圍巖應力場和位移場的變化

隨著圍巖受力由集中應力區(qū)向低應力區(qū)轉(zhuǎn)化，錨桿受力趨于均勻化，圍巖的應力場和應變場趨于均勻化。

3深部巷道底臌控制技術(shù)

深部巷道由于受采掘擾動，引起圍巖的應力狀態(tài)發(fā)生變化，使頂板和兩幫巖體發(fā)生變形并向巷道內(nèi)位移，底板巖體向巷道內(nèi)位移發(fā)生底臌。強烈的底臌不僅帶來大量的維修工作，增加了維護費用，而且影響生產(chǎn)活動無法正常進行。深井煤巷的底臌問題一直是困擾煤礦生產(chǎn)中的重大難題。

3.1 深部煤巷的底臌特征

深部巷道的底臌主要表現(xiàn)為以下主要特征：

（1）底板巖體強度比較低。特別是當巷道底板節(jié)理裂隙比較發(fā)育、受到水和風化的影響，導致底板巖石向鄰空側(cè)的位移量大。

（2）深部煤巷對應力的變化比較敏感。在一定的地質(zhì)生產(chǎn)條件下，巷道底臌可能表現(xiàn)得并不明顯。但隨著巷道埋深得增加或受到開采擾動后，應力達到一定值，底板巖石會大量向巷道內(nèi)鼓出。從姚橋礦的煤巷底臌量最大達到1.5～2.0m，成為巷道支護中的難題。

（3）深部煤巷的底臌具有明顯的流變性。具體表現(xiàn)為底臌的初始速度大，之后逐漸趨緩并過渡到比較穩(wěn)定的階段。底臌速度趨于穩(wěn)定的時間比較長，而且在穩(wěn)定狀態(tài)下，底板巖層仍以一定的速度向巷道內(nèi)移動。當總的底臌量超過一定數(shù)值后，底臌數(shù)率還會再度增大。

4 深部煤巷的底臌控制技術(shù)

巷道底臌的控制技術(shù)很多，主要有底板卸壓、錨桿加固、封閉底板、底板注漿加固以及加強幫角等。針對深部煤層巷道的掘進和使用特點，采用三級控制底臌變形。采用錨網(wǎng)索耦合加固頂板，錨網(wǎng)耦合加固幫部，采用45°底角錨桿對底角進行加固，在理論上和實踐上都是較為可行的方法。

（1）一級控制：錨網(wǎng)索耦合加固頂板

深部煤層巷道的底臌多為上覆巖層的壓力通過兩幫傳遞到底板引起的。錨索關鍵部位耦合支護，將上覆不穩(wěn)定巖層懸吊到深部穩(wěn)定巖層，利用深部圍巖強度，減小傳遞到底板的上覆巖層壓力，從而避免或減輕底臌的發(fā)生。

（2）二級控制：錨網(wǎng)耦合加固幫部

錨網(wǎng)耦合支護控制巷道幫頂圍巖，形成自承能力較高的承載拱，以控制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。深部煤巷在高地應力作用下，兩幫壓力增加，煤體的破碎區(qū)域擴大。如果幫部在支護體強度、剛度和結(jié)構(gòu)上與圍巖不耦合，就會出現(xiàn)巷道變形加劇，表層煤體破碎區(qū)域擴大，出現(xiàn)實際跨度增加，沿空側(cè)巷道會出現(xiàn)煤柱有效承載面積降低等現(xiàn)象。由此一方面導致加速下沉頂板，同時，由于煤柱的壓模作用，加劇底臌變形。

（3）三級控制：錨桿加固底角

根據(jù)底臌防治理論和現(xiàn)場試驗表明，在巷道的底部增設底角錨桿，可以有效地提高底板的穩(wěn)定性，防止底臌的發(fā)生，實踐證明是可行、適用的方法。底角錨桿主要起到以下幾個方面的作用：

① 通過底角錨桿，在巷道角部形成自承能力較高的承載拱，可以減弱巷道底角部應力集中程度，以控制底角圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。

② 提高巷道底角部圍巖的強度，減小兩幫的塑性變形。

③ 通過增打底角錨桿，可以有效切斷來自巷道兩側(cè)的高應力滑移線，消弱來自巷道兩側(cè)的擠壓應力，有效控制底板鼓出變形。

5總結(jié)

因此，軟巖巷道耦合支護參數(shù)就是巷道在支護體與圍巖耦合支護條件下，由軟巖巷道耦合支護荷載所確定的支護參數(shù)。軟巖巷道耦合支護參數(shù)包括初次耦合支護參數(shù)和二次耦合支護參數(shù)。

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