大埋深高應力巷道支護技術實踐

李宗岑（平煤股份四礦,河南 平頂山 467093）

大埋深高應力巷道支護技術實踐

李宗岑
（平煤股份四礦,河南 平頂山 467093）

結合大埋深巷道頂板變形及破壞規律，通過從圍巖應力、圍巖強度和巷道支護三方面分析己15-23160機巷發生頂板剪切破壞的原因，確定從增大頂板預緊力方面入手優化己15-23160機巷臨近巷道己15-31020風巷支護方案：用2根3m長錨索代替頂板柱肩以外2根錨桿，將對頂板的預緊力由10噸提升至20噸，圍巖監測結果表明，該支護方案有效提高了頂板支護強度，巷道變形量得到了控制，杜絕了頂板剪切破壞和錨桿支護失效現象。

大埋深；支護失效；預緊力；剪切破壞

0 概況

對于錨桿支護煤巷來說，頂板發生剪切破壞往往會造成頂錨桿剪斷，頂板下沉，支護失效，嚴重威脅安全生產。本文在分析己15-23160機巷頂板剪切破壞原因的基礎上，通過優化支護方案，提出了己15-31020風巷支護方案，并取得了成功。

1 剪切破壞原因分析

平煤股份四礦己15-23160機巷設計為矩形全錨支護，巷道凈寬4.8m，凈高2.8m，頂錨桿采用高強讓壓錨桿，幫錨桿采用高強錨桿，頂錨桿間排距800×800mm，每排7根頂錨，上下幫錨桿間排距為900×800mm和750mm×800mm，每排4根，錨索采用直徑17.8mm 長6.5m錨索，五花布置。在支護過程中，局部地段出現了頂板剪切破壞，主要特征為：一是在頂板以上1.1m處巖層錯動，錨桿破斷處明顯為剪斷形態；二是頂板剪切發生的位置多位于巷道柱肩1m范圍內，頂板出現明顯的錯動。

一般來說，圍巖應力、圍巖強度和巷道支護是影響巷道支護穩定性的三要素，因此，結合己15-23160機巷地質條件，從這三方面來分析確定己15-23160機巷出現剪切破壞的原因：（1）巷道埋深大，原巖應力高。己15-23160機巷井下標高-645～-575m，地面標高278～392m，埋深最大達到980m，造成巷道原巖應力σz高達24.5MPa，在如此大的原巖應力作用下，巷道掘進后，圍巖應力在重新分布過程中，頂板在由三向受力狀態轉變為二向受力狀態時，裸露的頂板將遭到兩幫水平應力的擠壓，形成錯動，導致剪切破壞的發生；（2）頂板中含軟弱夾層。通過分析己15-23160機巷綜合柱狀圖可知，巷道頂板以上1.1m處含有約0.6m厚的炭質泥巖軟弱夾層，導致頂板形成“中間弱、兩邊強”的夾心餅層狀結構，導致巷道頂板各巖層間粘結力減弱，這種層狀結構在水平擠壓應力作用下最易發生剪切錯動，導致頂板破壞，這也是頂板以上1.1m處巖層發生錯動的主要原因；（3）錨桿支護層位頂板預緊力有限。己15-23160機巷頂錨桿長2.6m，強度為500MPa，直徑22mm，其屈服載荷為19噸，其對頂板的預緊力為10噸，按照理論計算，預緊力越大，圍巖受力狀況越好，其承受水平應力的能力和抗剪切錯動能力越大，因此進一步提高預緊力將提高頂板的抗剪切能力。

2 支護方案優化

根據第一部分分析，影響巷道穩定性的三因素中，圍巖應力、圍巖強度屬于自然條件，不能改變，因此，只能從巷道支護方面優化，以提升巷道抗剪切能力。

己15-31020風巷與己15-23160機巷中對中10m布置，為防止支護中出現己15-23160機巷類似的剪切破壞現象，結合上述分析，優化支護方案如下：（1）己15-31020風巷設計斷面，頂錨桿、幫錨桿類型與己15-23160機巷相同；（2）優化錨索補強支護參數：己15-31020風巷的錨索參數優化如下：將原己15-23160機巷使用的直徑17.8mm 長6.5m七絲錨索更改為直徑22mm長7m的19絲錨索，仍沿用五花布置；將原己15-23160機巷使用的頂板柱肩以外的2根頂錨桿用2根直徑22mm長3m的錨索代替，這種優化的目的為：一是增強錨桿支護層位的頂板預緊力，一般來說，錨索對頂板巖層預緊力為錨桿設計載荷的1.0倍，而錨桿預緊力僅為錨桿設計載荷的0.5倍，因此，在使用3m錨索后，在錨桿支護層位上的巖層預緊力由10噸增加至20噸，增大一倍之多，減少了頂板錯動破壞現象；二是在用錨索代替容易發生剪切破壞的錨桿后，即使頂板發生了錯動，錨索索繩的柔性亦能抵抗頂板水平方向一定范圍的錯動而不至于破斷。

圖1 己15-31020風巷支護方案

3 支護效果分析

己15-31020風巷采用優化后的支護方案后，目前已經掘進1100余米，從現場實際看，取得了良好的支護效果：一是未發生頂板剪切錯動現象，頂板完整性良好；二是未出現錨桿錨索破斷現象，僅僅在局部壓力較大地段出現錨桿讓壓管變形現象；三是通過頂板離層和圍巖變形監測看，全巷道范圍內頂板離層量最大為32mm，兩幫移近量最大為540mm，證明優化后的支護方案支護效果明顯。

4 結論

（1）根據己15-23160機巷出現的局部頂板剪切破壞現象，從圍巖應力、圍巖強度和巷道支護三方面進行了分析，得出其主要原因為：一是巷道埋深大，原巖應力高；二是巷道頂板中存在軟弱夾層，導致巷道頂板呈層狀分布，頂板抵抗水平應力能力弱，易發生剪切錯動現象；三是錨桿支護層位頂板預緊力有限，對頂板的抗水平應力提供的圍壓不足；

（2）從提高頂板預緊力入手，優化了己15-31020風巷支護參數：加長加粗了五花布置的長錨索，并采用2根3m的短錨索代替2根柱肩以外的頂錨桿的方法，不但提高了錨桿支護層位頂板的預緊力，還提高了巷道抗頂板剪切錯動能力。

（3）己15-31020風巷頂板離層和圍壓變形監測結果表明，該支護方案是成功的。

[1]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,2003.

[2]侯朝炯,郭勵生,勾攀峰.煤巷錨桿支護[M].徐州:中國礦業大學出版社,1999.

李宗岑（1985-），男，河南鎮平人，研究生，助理工程師，主要從事：巷道掘進和支護技術方面的研究工作。