動壓影響軟巖巷道二次高強錨網索加固技術研究

解志明

(山西煤炭運銷集團 臨汾分公司，山西　臨汾　041000)

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動壓影響軟巖巷道二次高強錨網索加固技術研究

解志明

(山西煤炭運銷集團 臨汾分公司，山西臨汾041000)

摘要某礦II82新回風上山將承受II829-1工作面的強烈采動影響，原支護采取普通錨網支護，巷道破壞嚴重。通過對動壓影響巷道圍巖應力場進行數值模擬，結果表明：巷道兩幫幫、幫腳以及底板位置是整個支護承載結構的薄弱環節，應對這些部位進行結構補償。對II82新回風上山提出了二次高強錨網索(控制底鼓)支護技術，方案實施后，Ⅱ82新回風上山承受住了強烈的采動影響，保證了巷道的使用斷面，并在工作面回采結束后很快趨于穩定。

關鍵詞采動影響；數值模擬；結構補償；二次支護

某礦為煤與瓦斯突出礦井，目前，該礦二水平開采深度600 m左右，主要開采8#、9#煤層，其中8#煤層平均厚度10 m左右，9#煤層厚度2～3 m，8#、9#煤層間距約3.2 m. 為防止煤層自燃發火，降低巷道圍巖壓力，該礦將II2采區上山布置在距9煤30 m左右的底板巖層中，并實施跨上山回采。隨著上覆工作面的回采，底板上山在同一區段將承受多次采動影響，一般變形破壞嚴重。目前，II829-1工作面正在回采，II82新回風上山將承受II829-1工作面的強烈采動影響，若不及時對II82新回風上山進行加固，其受到采動影響后會產生嚴重變形、破壞，影響礦井安全生產。

1工程概況

II82新回風上山實際埋深590 m左右，圍巖巖性以細砂巖和泥巖為主，局部為砂質泥巖、粉砂巖。其中，粉砂巖呈灰-灰白色，成分以石英長石為主，鈣泥質膠結，層理較發育。

Ⅱ82新回風上山為直墻半圓拱巷道，原有支護為錨網噴支護，錨網噴支護參數為：設計凈斷面為4 600 mm×3 500 mm，掘進斷面4 800×3 600 mm，采用d22 mm×2 400 mm高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm. 受上覆工作面的回采以及巷道掘進等因素的擾動影響，巷道出現劇烈變形破壞，具體表現為巷道片頂片幫現象嚴重，拱頂中部噴層受擠壓破裂，肩窩處普遍形成剪切縫，造成巷道頂板整體下沉；巷道兩幫在高應力作用下產生剪脹變形，造成兩幫嚴重內移，底板強烈鼓起，嚴重影響礦井的通風和運輸。

2 跨采軟巖巷道圍巖應力場數值模擬分析

根據Ⅱ82新回風上山采礦地質條件以及新回風上山與其上覆工作面的布置與位置關系，建立平面應變模型，尺寸為：290 m×154 m，共劃分45 000個有限差分單元。

本模型的水平邊界為固定邊界，上邊界為應力邊界。考慮到模型計算容量的限制，在模型的頂部加11.25 MPa的等效載荷，此等效載荷相當于容重為25 kN/m3、厚度為450 m的上覆巖層。為研究工作面回采過程中，底板軟巖巷道圍巖變形活動規律，選取工作面位于新回風上山巷道后方水平距離為50 m、30 m，巷道正上方以及工作面位于該巷道前方50 m的位置處對其圍巖應力場變化進行數值模擬分析。不同位置下巷道應力場分布示意圖見圖1.

a) 巷道位于工作面前方50 m

b) 巷道位于工作面前方30 m

c) 巷道位于工作面正下方

d) 工作面推過巷道30 m

由圖1a)與圖1b)對比可以看出，隨著工作面的繼續推進，巷道圍巖的應力集中程度仍是極不均勻的且差異性比較大，巷道左幫應力集中范圍有所降低，而受工作面超前支承壓力的影響，巷道右幫應力集中程度以及集中范圍都有明顯增加；同時巷道底板仍處于比較低的應力狀態，低應力區域繼續發育，底板應力降低區范圍增大，底板變形破壞將持續加劇。由圖1c)可見，巷道圍巖應力降低區范圍繼續增大，尤其是巷道左幫以及底板的垂直應力降低更為顯著，而且在靠近巷道圍巖表面一定范圍內右幫應力集中程度稍高于左幫，此時巷道圍巖變形以底板的變形破壞為主，巷道底鼓量將繼續增大，同時巷道兩幫變形破壞也相對較為劇烈，此時要加強兩幫及底板的支護，尤其是應對底板采取有效控底措施，以提高幫部以及底板圍巖的承載能力和承載性能。由圖1d)可見，當工作面推過巷道50 m時，巷道位于采空區下方，造成巷道應力水平有所降低，在巷道圍巖一定范圍內形成應力降低區，此時有利于巷道的維護。

在工作面整個開采過程中，巷道周邊圍巖所處的應力狀態隨著工作面的推進不停地變化，其中巷道兩幫幫中和兩幫幫腳以及底板位置是整個支護承載結構的薄弱環節，應對這些部位進行結構補償，從而提高支護承載結構穩定性。

3動壓影響巷道二次支護技術方案

對動壓影響下軟巖巷道的支護采取無限制的讓壓和硬頂支護都是非常不適宜的，應綜合考慮多方面的影響因素，理想的支護形式應該為二次高強穩定型錨網噴支護(控制底鼓)，同時對支護薄弱部位采取結構補償。由于采用錨網噴支護方式可以在巷道掘進后立即進行施工，并可以與巷道圍巖共同形成早期承載能力，充分利用圍巖體與錨網噴支護的協同作用，在允許巷道圍巖初期有一定變形量的情況下，調整巷道圍巖的初期壓力，不僅體現了柔性讓壓支護的特性，還體現出剛性支護的特點。完成初期一次支護后，再對巷道進行二次高強穩定型錨網索補強支護，同時采取合理有效的底板控制技術，加強底板支護強度，從而可以更好地抑制軟巖巷道地變形破壞。高強度二次錨網索支護展開圖見圖2.

一次錨網支護可按擴修前原有巷道支護方式施工。選用d22 mm×2 400 mm高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，配套托盤采用200 mm×200 mm×10 mm方形球面型托盤。若采用風鉆打眼，因其孔徑為d32 mm，故每個錨桿孔采用K2950和Z2950樹脂錨固劑各1支；若采用錨桿鉆機打眼，因其孔徑為d28 mm，故每個錨桿孔采用K2350和Z2350樹脂錨固劑各1支。兩幫底角錨桿向下扎角20°，輔助控制巷道底鼓，錨桿預緊力矩應不小于300 N·m. 金屬網采用d6 mm自連式冷拔電弧焊鋼筋網，規格為2 600 mm×900 mm，網格為100 mm×100 mm. 在錨桿托盤與鋼筋網之間沿巷道周向布置鋼筋梯子梁。當支護構件安裝完畢后，在巷道表面噴射厚度為50～100 mm，標號為C20混凝土。

圖2 高強度二次錨網索支護展開圖

在一次錨網支護兩排錨桿間實施高強度二次錨網索支護，二次支護時機應避開巷道劇烈變形階段，一次支護擴修巷道施工完畢后，根據測點圍巖監測結果，巷道圍巖在10天左右得到穩定，此時進行二次錨網索加固，高強度二次錨網索支護采用A、B兩種支護斷面相間布置，錨桿規格d22 mm×3 000 mm，間排距800 mm×800 mm.采用d21.6 mm×6 300 mm小孔徑高強預應力錨索實施結構補償，不僅提高了錨網基本支護形成組合梁或組合拱結構的抗彎能力及淺部圍巖的穩定性，而且能夠有效發揮深部穩定巖體的承載能力。當支護構件安裝完畢后，在巷道表面噴射標號為C20混凝土，噴層厚度將鋼筋金屬網蓋住即可。

根據現有巷道底鼓特征，在巷道底板布置4根d21.6 mm×5 000 mm錨索，排距1.2 m，錨索托盤為300 mm×300mm×16 mm大托盤。每根錨索孔使用3支Z2350樹脂錨固劑，并采用樹脂和灌漿聯合錨固方式，提高錨索對軟巖巷道底板的錨固效果，底板錨索預緊力不低于100 kN.

4支護效果分析

對Ⅱ82新回風上山采用上述高強穩定形支護技術方案后，在新回風上山相應位置布置觀測測站，從測站布置之日起進行礦壓觀測。從觀測結果可以看出，在受上覆Ⅱ829-1工作面開采影響前，巷道表面變形量較小，但是隨著上覆工作面的推進，新回風上山逐漸受到工作面的采動影響，巷道表面位移量明顯增大。巷道變形以頂底板移近量和兩幫內移量為變形標志，是能夠反映巷道圍巖穩定狀況和支護效果的綜合指標。觀測結果見圖3.

圖3　巷道圍巖變形監測結果示意圖

由圖3可以看出，在圍巖變形觀測期間，巷道底鼓量較大，其次是兩幫，頂板變形量最小。工作面回采初期，測站受工作面超前支承壓力的作用較小，巷道圍巖變形量基本為零。當工作面位于測站后方約200 m處位置時，巷道圍巖出現微小變形，但底板變形量稍大；隨著工作面的推進，處于測站后方170 m處時，巷道頂底板以及兩幫出現較為明顯的變形，尤其是巷道底板底鼓量達到40 mm.隨著工作面的繼續推進，巷道礦壓顯現逐漸明顯，巷道受工作面超前支承壓力的影響越來越強烈，進入劇烈采動壓力影響階段，巷道表面變形量也隨著工作面距巷道距離的減小而逐漸增大。當工作面處于測站約正上方位置時，巷道圍巖變形量緩慢增大，隨著工作面的遠離，巷道圍巖變形量基本保持不變，逐漸趨于穩定。整體來看，上覆工作面回采期間，底板的變形量一直處于最大，兩幫變形次之，頂板變形量較小。

在整個工作面回采期間，頂底板移近量累計為299 mm，巷道兩幫移近量為200 mm左右。從現場支護情況以及長期觀測結果來看，在上覆Ⅱ829-1工作面回采過程中，Ⅱ82新回風上山能夠承受強烈的采動影響，保證了巷道的使用斷面，并在工作面回采結束后很快趨于穩定。實踐證明，該圍巖結構強化技術方案能夠有效地控制此類動壓影響軟巖巷道的強烈變形，巷道維護狀況良好。

5結論

II82新回風上山將承受II829-1工作面的強烈采動影響，原支護采取一次錨網支護，巷道出現劇烈變形破壞。動壓影響巷道圍巖應力場數值模擬表明：在工作面整個開采過程中，巷道周邊圍巖所處的應力狀態隨著工作面的推進不停地變化，其中巷道兩幫幫中和兩幫幫腳以及底板位置是整個支護承載結構的薄弱環節，應對這些部位進行結構補償，從而提高支護承載結構穩定性。對動壓影響下軟巖巷道的支護最為理想的支護型式應該為二次高強穩定型錨網噴支護(控制底鼓)，同時對支護薄弱部位采取結構補償。對II82新回風上山提出了二次高強錨網索(控制底鼓)加固方案，方案實施后，在整個工作面回采期間，頂底板移近量累計為299 mm，巷道兩幫移近量為200 mm左右。Ⅱ82新回風上山能夠承受強烈的采動影響，保證了巷道的使用斷面，并在工作面回采結束后很快趨于穩定。實踐證明，該圍巖結構強化技術方案能夠有效地控制此類動壓影響軟巖巷道的強烈變形，巷道維護狀況良好。

參考文獻

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·試驗研究·

(E-mail)cumt_caoming@126.com

Study on the Secondary High-strength Reinforcing Technology for

Soft Rock Roadway with the Effect of Dynamical Pressure

XIE Zhiming

AbstractⅡ82 air return roadway in a coal mine will bear the strong mining influence of Ⅱ829-1 working face. The original support is common bolt net support and The roadway destruction is serious,Based on the dynamic pressure effect of roadway surrounding rock stress field numerical simulation,the result show that the weakness lies in the middle and foot of the working slope as well as the bottom floor,To deal with these structural compensation.Secondary high-strength reinforcing (floor heave control) support technology is put forward and applied for Coal mine Ⅱ82. Finally, it has succeeded in bearing the violate mining influence, ensuring the using sections in roadway,and it tends to be stable soon after the end of face mining.

Key wordsMining influence; Numerical simulation; Structure compensation; Secondary support

作者簡介：代衛(1983—)，男，河南商丘人，2012級河南理工大學在職研究生，助理工程師，主要從事煤礦開采生產技術和安全管理工作

收稿日期：2015-02-28

中圖分類號：TD353

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)04-0027-04