回采巷道錨桿索支護(hù)優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用

楊 揚 孫 凱 于振亞

（1.中國煤炭工業(yè)協(xié)會生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100013；2.山東能源集團(tuán)西北礦業(yè)有限公司，陜西 西安 710000；3.棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）濟(jì)寧岱莊煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 277606）

山西長平煤礦井下工作面兩側(cè)巷道掘進(jìn)時在初始支護(hù)條件下變形量較小，但在工作面回采期間，受工作面來壓采動影響，巷道將出現(xiàn)不同程度的變形破壞[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者圍繞回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制進(jìn)行了大量研究。曹勝根等[4]建立了巷道突水區(qū)圍巖本構(gòu)模型，分析了漿液流變性、流動規(guī)律及擴(kuò)散方式，提出了巷道圍巖預(yù)注漿防突水技術(shù)；付玉凱等[5]建立了復(fù)合軟巖巷道長短錨索層次控制力學(xué)模型，形成了長、短錨索層次支護(hù)技術(shù)；方新秋等[6]根據(jù)破碎圍巖巷道變形破壞特征及影響因素分析，得出巷道兩幫圍巖的破碎起到了天然卸壓作用，延緩了底鼓的發(fā)生，采用二次支護(hù)方法控制圍巖變形；王曉卿等[7]揭示了錨桿（索）在不同圍巖體中作用機理，直觀展示了壓力拱的產(chǎn)生，揭示了錨桿（索）對圍巖的控制機理。本文結(jié)合現(xiàn)場條件，在原有巷道錨桿支護(hù)條件下調(diào)整錨桿間排距，補強錨索，優(yōu)化巷道初始支護(hù)條件，以此維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定，防止巷道發(fā)生頂板垮落、幫部擠出及底板鼓起等安全事故，減小回采巷道變形破壞，保障礦井安全高效生產(chǎn)[8-9]。

1 工程概況

2302 工作面井下位置位于二采區(qū)，為二采區(qū)首個回采工作面，工作面走向長度913 m，傾斜長度154 m，采3#煤層，3#煤均厚3.5 m，平均傾角5°。2302 工作面運輸順槽沿3#煤層頂板布置，采區(qū)內(nèi)該煤層結(jié)構(gòu)簡單，僅個別點含2 層泥巖夾石，屬穩(wěn)定煤層。頂板為泥巖、中砂巖，底板為泥巖、粉砂巖。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2302 運輸順槽頂板選用規(guī)格為Ф18 mm×1800 mm 的螺紋鋼樹脂錨桿， 錨桿間排距1000 mm×1000 mm， 幫 部 選 取Ф18 mm×1800 mm全螺紋式玻璃纖維樹脂錨桿，錨桿間排距900 mm×1000 mm，全斷面掛10#鐵絲菱形網(wǎng)。巷道斷面支護(hù)圖如圖1。

圖1 巷道斷面支護(hù)圖（mm）

2 回采巷道圍巖變形失穩(wěn)機理與特征分析

2.1 巷道圍巖變形失穩(wěn)機理

2302 工作面開切眼貫通后開始回采工作，采場巖體初始應(yīng)力環(huán)境被破壞，采場應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致初始支護(hù)條件下的巷道發(fā)生變形失穩(wěn)。

1）巖體內(nèi)部構(gòu)造分析

巷道發(fā)生變形破壞，從巖體內(nèi)部分析，巖體本身存在不同程度的節(jié)理裂隙，在回采擾動下，巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致巖體內(nèi)部裂隙等弱面更加發(fā)育，并不斷相互導(dǎo)通，形成較大的結(jié)構(gòu)弱面，最終使巖體發(fā)生變形破壞[10-11]。

2）巖層壓力傳遞分析

從巖層運移方面來看，工作面開采后，頂板下沉，上覆巖層破斷回轉(zhuǎn)，巷道圍巖承受圍壓劇增。當(dāng)覆巖壓力超過巷道圍巖自身承載極限時，圍巖發(fā)生變形失穩(wěn)，導(dǎo)致巷道變形破壞[12]。

2.2 巷道圍巖變形失穩(wěn)特征

從長平煤礦多條煤巷頂板的調(diào)研資料總結(jié)發(fā)現(xiàn)，煤巷的變形破壞特征主要表現(xiàn)：頂板巖層發(fā)生破碎，容易發(fā)生彎曲下沉，導(dǎo)致頂板由下至上的巖層冒落破壞。具體表現(xiàn)為以下兩點：

1）頂板破碎冒落

巷道掘通后，原巖應(yīng)力受到擾動，巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，集中拉應(yīng)力逐漸聚集到巷道頂部。頂板巖層抗拉強度不足以承受頂板拉應(yīng)力時，頂板巖層將從下至上出現(xiàn)拉裂破壞，單一巖層在此作用下會在巷道頂部逐漸形成結(jié)構(gòu)較簡單的冒落區(qū)，而多層巖層會在巷道頂部形成較為復(fù)雜的冒落區(qū)。

由于巷道開掘、工作面回采使巷道頂部所受壓力巨大，頂板巖體在壓力作用下其自身節(jié)理裂隙發(fā)育，逐步形成宏觀上的巖體變形破碎。巷道經(jīng)過特殊地質(zhì)地帶（斷層、陷落柱、上覆采空區(qū)等）時，頂板所受地質(zhì)構(gòu)造壓力更大、更復(fù)雜，頂板巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙更加發(fā)育，巖體更破碎，甚至變?yōu)榉勰睢?/p>

在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的作用下，分布于軟弱層面的巷道變形破壞也甚為嚴(yán)重。巷道頂部巖層受應(yīng)力疊加作用，內(nèi)部破壞從其本身固有節(jié)理裂隙延伸變大，致使巖層裂隙節(jié)理錯綜復(fù)雜。在巖層內(nèi)部裂隙節(jié)理的貫通作用下，形成了各種形狀大小的破碎巖塊。巖塊之間失去了鉸接摩擦效果，時常發(fā)生冒落現(xiàn)象，甚至發(fā)生連鎖冒落，造成大規(guī)模的頂板安全事故。

2）頂板彎曲下沉

巷道頂板巖層不是水平層位時，工作面采動，應(yīng)力重新分布，頂板巖層受上覆巖層載荷作用發(fā)生變形破斷。但由于傾斜巖層之間的擠壓鉸接效應(yīng)，破斷的巖塊仍能夠彼此擠壓不冒落，同時能夠繼續(xù)傳遞水平作用力。各破斷巖塊彼此擠壓鉸接形成一種平衡狀態(tài)，此時巷道頂板巖層彎曲下沉。如果上覆巖層壓力繼續(xù)增大，就會導(dǎo)致巷道頂板巖層鉸接擠壓失效，巖塊垮落，巷道破壞。

3）巷道鼓幫滑落

① 巷道鼓幫

巖層水平方向的作用力施加到巷道幫部造成巷道幫部擠出。根據(jù)來壓層位及煤巖層位關(guān)系，巷道兩邊中部或底部都可能出現(xiàn)幫鼓擠出現(xiàn)象。巷道幫部中部或者底部鼓起可分為內(nèi)因和外因。巷幫圍巖物理力學(xué)性質(zhì)從內(nèi)部決定其破壞位置，巖層水平作用力的方位及大小從外部決定其破壞位置。內(nèi)外兩因素共同決定巷道何處幫鼓。

② 巷幫小塊危巖滑落或片幫

當(dāng)巷道周圍分布有交錯傾斜的節(jié)理時，巷道幫部圍巖由于節(jié)理而被切割分裂為巖塊，巖塊主要受到自身重力及與周圍巖體產(chǎn)生的摩擦力的作用，當(dāng)兩者平衡時巖塊就會發(fā)生移動，當(dāng)在重力作用下的下滑力大于摩擦力時，巖塊就會發(fā)生脫落，導(dǎo)致巷道破壞。此現(xiàn)象多發(fā)生于斷層帶、構(gòu)造破碎帶、巖層中有軟弱巖層帶或塊狀結(jié)構(gòu)的巖體中。

3 回采巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計

3.1 錨桿索支護(hù)作用機理

1）錨桿支護(hù)作用機理

通過抑制錨桿作用區(qū)域巖層的錯動、節(jié)理裂隙發(fā)育、離層等變形破壞，錨桿支護(hù)產(chǎn)生壓力作用于錨固圍巖中，最大限度地控制頂板與幫部圍巖彎曲下沉與變形破壞，保持巖層的一體結(jié)構(gòu)，使圍巖能夠保持承載能力，擔(dān)任采場承受上覆載荷的主體。通過施加預(yù)應(yīng)力，使錨固區(qū)內(nèi)部形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，抑制錨固巖層發(fā)生離層錯動，同時深部巖層應(yīng)力分布也得到調(diào)整。巖體的彈性變形及未破壞前的塑性變形受錨桿支護(hù)的作用影響不大。要使巖層彈性能與破壞前的塑性變形能充分釋放，必要的延伸率是錨桿支護(hù)體系必須具備的條件。

① 巖體力學(xué)性質(zhì)與變形影響

錨桿錨固作用可以通過改變破碎區(qū)、塑性區(qū)煤巖的強度、彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)性質(zhì)以改善煤巖塑性變形，并可以改變煤巖體在其屈服峰值破壞后的殘余強度，影響破壞后煤巖的變形特征。

② 巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響

巖體內(nèi)部在其本身構(gòu)造應(yīng)力的影響下，存在各種裂隙、節(jié)理等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，這些弱面的存在會很大程度上影響巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，并進(jìn)一步影響巖體的承載能力。錨桿支護(hù)體系通過在巖層中打入高強度錨桿體，以此為巖體提供軸向力和抗切向力，能夠顯著提高巖體的抗剪強度，抵抗結(jié)構(gòu)弱面的錯動滑移。錨桿支護(hù)能夠通過施加預(yù)緊力整體加固破碎圍巖，保持煤巖體的完整性與穩(wěn)定性，使破碎后的圍巖仍具有一定的承載能力。

③ 巖體內(nèi)部應(yīng)力分布影響

工作面巷道受開挖采動影響，巷道圍巖內(nèi)部原巖應(yīng)力狀態(tài)被破壞，應(yīng)力重新分布。圍巖內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力與剪應(yīng)力，容易導(dǎo)致巖體發(fā)生變形失穩(wěn)。錨桿通過向巖層施加預(yù)緊力，可以主動改變巖體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)：巷道頂板錨桿可以提高錨固區(qū)抗拉能力，抵消頂板部分拉應(yīng)力；巖層發(fā)生水平滑動變形時，錨桿的抗剪強度能夠提高巖體的抗剪能力，維持巖體穩(wěn)定性。

2）錨索支護(hù)作用機理

巷道圍巖變形劇烈處等關(guān)鍵支護(hù)部分需要采用錨索進(jìn)行加強支護(hù)。錨索支護(hù)主要將錨索穿過頂板不穩(wěn)定巖層進(jìn)入到穩(wěn)定巖層中，通過錨固劑將接近巷道頂板不穩(wěn)定巖層與圍巖深部穩(wěn)定巖層懸吊起來，形成一個整體，抑制了頂板不穩(wěn)定巖層的下沉冒落，保持巷道圍巖塑性區(qū)范圍不再擴(kuò)大。錨索支護(hù)是井下巷道復(fù)雜條件下加強支護(hù)的重要方法措施。

錨索支護(hù)功效主要可以從兩方面分析：錨索支護(hù)通常配合錨桿支護(hù)，一方面錨索錨入深部圍巖，使錨桿支護(hù)本身形成的承載體與深部圍巖相連，充分調(diào)動了深部圍巖的承載能力，提高了支護(hù)承載體的穩(wěn)定性；另一方面，錨索通過錨固劑向深部圍巖施加較大預(yù)緊力，與錨桿支護(hù)形成的壓應(yīng)力區(qū)組合成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主動支護(hù)圍巖，保持其完整性。提高錨桿與錨索的預(yù)緊力并使其有效擴(kuò)散是改善巷道支護(hù)效果的最有效途徑。

3.2 巷道支護(hù)方案優(yōu)化

結(jié)合上述回采巷道變形失穩(wěn)機理與錨桿錨索作用原理，針對原回采巷道圍巖變形失穩(wěn)，對巷道錨桿索支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計如下：

1）錨桿優(yōu)化方案

巷道頂部、幫部錨桿均由Φ18 mm×1800 mm優(yōu)化為Φ18 mm×2000 mm，頂部錨桿間排距由1000 mm×1000 mm 優(yōu) 化 為800 mm×800 mm，幫部錨桿間排距由900 mm×1000 mm 優(yōu)化為900 mm×900 mm。

2）增補錨索方案

在巷道頂板增補錨索，錨索規(guī)格為Φ18 mm×6000 mm，間排距1600 mm×1600 mm，深入頂板穩(wěn)定巖層中。

回采巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計如圖2。

圖2 巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計（mm）

4 數(shù)值模擬分析

1）數(shù)值模擬方案

為分析優(yōu)化前后的回采巷道支護(hù)方案對巷道圍巖穩(wěn)定性控制效果，通過FLAC3D建立數(shù)值計算模型，對優(yōu)化前后的回采巷道支護(hù)方案巷道頂板垂直位移及塑性區(qū)范圍進(jìn)行對比分析，得出回采巷道支護(hù)優(yōu)化后的圍巖控制效果。

本次模擬采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，根據(jù)煤層綜合柱狀圖結(jié)合實際地質(zhì)情況，建立模型地層。數(shù)值計算模型如圖3。

圖3 數(shù)值模擬模型

根據(jù)礦井地質(zhì)資料，所建模型距離地表垂直距離550 m，可通過直接在模型頂部加載垂直應(yīng)力替代地層自重（γH）為σzz=13.75 MPa。

2）數(shù)值模擬結(jié)果

優(yōu)化前后的回采巷道支護(hù)方案巷道頂板垂直位移云圖如圖4。

圖4 支護(hù)優(yōu)化前后巷道頂板垂直位移

如圖4 所示，初始支護(hù)條件下，工作面回采后，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，在應(yīng)力的用下，巷道圍巖開始發(fā)生變形。但在優(yōu)化后的錨桿索支護(hù)作用下，巷道圍巖變形有所降低。

優(yōu)化前巷道支護(hù)方案頂板位移量最大為92 mm，優(yōu)化后巷道支護(hù)方案頂板位移量最大為75 mm，且支護(hù)優(yōu)化前的巷道頂板位移范圍大，圍巖破壞范圍大。由于工作面巷道沿煤層頂板布置，巷道底板為煤體，巷道底鼓量稍大，支護(hù)方案優(yōu)化前后巷道最大底鼓量分別為170 mm、186 mm。

優(yōu)化前后的回采巷道支護(hù)方案巷道塑性區(qū)范圍如圖5。

圖5 支護(hù)優(yōu)化前后巷道塑性區(qū)范圍

錨桿（索）支護(hù)情況是否良好，錨固是否穩(wěn)定，塑性區(qū)的范圍是一個重要參考指標(biāo)。如圖5 所示，支護(hù)方案優(yōu)化前，巷道總體塑性破壞范圍大，巷道頂?shù)装逡渤霈F(xiàn)較大拉伸破壞。方案優(yōu)化后，隨著錨桿（索）支護(hù)密度的增大，巷道兩幫及肩角塑性區(qū)發(fā)育范圍有所減小，巖層總體破壞范圍也減小。

巷道幫部的塑性區(qū)分布呈現(xiàn)靠近工作面一側(cè)的發(fā)育深度明顯大于遠(yuǎn)離工作面的一側(cè)，底板塑性區(qū)發(fā)育深度大于頂板塑性區(qū)。這是由于工作面存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成煤體破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致塑性區(qū)發(fā)育增大。由于錨固復(fù)合承載體等支護(hù)體系可以控住塑性破壞的發(fā)育范圍，而巷道底板一般不加以支護(hù)，因此，底板塑性區(qū)發(fā)育深度大于頂板塑性區(qū)發(fā)育深度。

5 支護(hù)方案優(yōu)化應(yīng)用與效果監(jiān)測

支護(hù)方案優(yōu)化后，在回采工作面巷道進(jìn)行工業(yè)性試驗。采用收斂計對支護(hù)方案優(yōu)化后的巷道表面位移量進(jìn)行測量。通過對表面位移的測量，反映巷道表面位移的大小及斷面收縮程度，并判斷巷道圍巖的變形是否超過其安全允許的最大值，是否影響巷道的正常使用，為準(zhǔn)確評估支護(hù)效果提供量化指標(biāo)。

方案優(yōu)化效果監(jiān)測地點選擇與工作面前方超前支承壓力劇烈的回采巷道處，以此最直觀反映支護(hù)優(yōu)化效果。監(jiān)測地點處巷道垂直變形量如圖6。

圖6 支護(hù)優(yōu)化巷道垂直變形監(jiān)測

如圖6 所示，支護(hù)方案優(yōu)化后工業(yè)性試驗期間，兩監(jiān)測地點巷道頂?shù)装遄冃瘟孔畲蠓謩e為82 mm、75 mm，最小變形量分別為57 mm、49 mm。支護(hù)方案優(yōu)化后，巷道穩(wěn)定性良好，錨網(wǎng)索支護(hù)效果良好，具有較好的可行性。

6 結(jié)論

1）工作面開采后，巷道發(fā)生變形破壞，從巖體內(nèi)部分析，巖體本身存在不同程度的節(jié)理裂隙，在回采擾動下，巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，巖體內(nèi)部裂隙不斷相互導(dǎo)通，形成較大的結(jié)構(gòu)弱面。從巖層運移方面來看，上覆巖層破斷回轉(zhuǎn)，當(dāng)覆巖壓力超過巷道圍巖自身承載極限時，圍巖發(fā)生變形失穩(wěn)，導(dǎo)致巷道變形破壞。

2）模擬結(jié)果表明，支護(hù)方案優(yōu)化后巷道圍巖變形量由92 mm 減小為75 mm，巷道兩幫及肩角塑性區(qū)發(fā)育范圍有所減小，巖層總體破壞范圍也減小。

3）工業(yè)性試驗現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，支護(hù)優(yōu)化方案下的巷道穩(wěn)定性良好，具有較好的可行性。