動壓巷道圍巖失穩機理及控制技術研究

王永強

(太原東山煤電集團有限公司，山西 太原 030013)

·技術經驗·

動壓巷道圍巖失穩機理及控制技術研究

王永強

(太原東山煤電集團有限公司，山西 太原 030013)

針對太原東山煤礦目前巷道圍巖控制存在的問題，對動壓巷道圍巖失穩機理及控制技術進行了研究，對其軟巖及高應力軟巖巷道變形破壞的機理及巷道圍巖變形規律進行了分析。提出了設置底角錨桿、幫部錨索以及施加高預緊力錨桿等巷道圍巖控制技術，并對幫部錨索控制進行了方案設計及分析。該圍巖控制技術避免了底鼓現象，控制了兩幫變形，提升了圍巖物理力學性能。

動壓巷道；失穩機理；圍巖控制；錨桿支護

煤炭是我國的主要能源，其生產的關鍵是運用井工開采形式對井下儲存的煤炭資源進行開采，開采過程需要掘進諸多巷道。太原東山煤礦作為一座成熟礦井，隨著巷道布置的逐步增多，巷道圍巖出現變形的情況也隨之愈加劇烈[1，2]. 另外，還存在巷道支護設計不合理及支護強度無法滿足實際現場要求等一系列問題，這在很大程度上給礦井的安全、技術及經濟等造成了諸多困難[3]. 因此，本文對其動壓巷道圍巖失穩機理及控制技術進行了研究。

1 動壓巷道圍巖失穩機理研究

在當前工作面回采過程中，圍巖遭到采動影響生成新的裂隙，圍巖強度及完整性急劇下降，導致采動產生的應力集中向煤柱巷道圍巖深部轉移，引起深部圍巖的破壞。針對這一現象，并根據該礦地質資料，對其失穩機理進行分析：

1) 動壓巷道變形破壞形式。a) 兩幫變形破壞。其變形向巷道空間內擠出，底部相對頂部有顯著的鼓出，展示出不對稱變形情況。兩幫都具有相異水平的片幫：微弱情況致使側墻上發生貫通性縱向裂縫，嚴重情況致使鋼筋及錨掛網發生扭曲，使得圍巖被擠出外露。b) 底板變形破壞。其是應力釋放的關鍵圍巖部分，變形量及速率相對來說非常高，還會致使兩幫相對移近量及頂板下沉逐步擴大[4]，在很大程度上使巷道維護難度增加。

2) 動壓巷道變形破壞特征。a) 時間效應。變形量大，支護強度無法滿足要求時，其塑性及破碎巖體碎脹變形量得到釋放，使巷道圍巖變形進一步擴大；速率大，受其采動干擾使得回采期間初期變形量及速率相對來說都非常大；時間長，受采動干擾巷道初始變形相對猛烈，隨著工作面的推進逐步進入緩慢變形區間[5]，然而因為支護強度無法滿足要求，致使變形速率沒有顯著縮小，導致巷道一直變形至穩定階段。b) 空間效應。兩幫出現明顯變形破壞，底板也隨之發生猛烈變形破壞，若不制定相對有效的控制方案[6]，強烈底鼓同樣致使兩幫及頂板的變形破壞進一步擴大。

2 動壓巷道圍巖控制技術研究

底板、煤柱幫及實體煤幫變形量隨巷道寬度及高度的變化規律分別見圖1，圖2，圖3.

圖1 底板變形曲線圖

圖2 煤柱幫變形曲線圖

圖3 實體煤幫變形曲線圖

根據圖1可知，巷道底鼓量依水平方向對稱分布，底板中點獲得變形量最高值是558.5 mm，在離煤柱幫1～3.7 m，底鼓量都超過了480 mm. 根據圖2，圖3可知，煤柱幫及實體煤幫變形量依豎直方向都不是對稱分布，兩幫逼近底板一邊相對于頂板鼓出更加顯著。煤柱幫及實體煤幫變形量最高值分別是224.9 mm及166.1 mm.

根據上述分析設計控制方案如下：

1) 底角錨桿。

巷道底板滑移線場圖見圖4.

圖4 巷道底板滑移線場圖

根據圖4可知，三角塊體AOC及A′O′C′分別和x軸夾角是-α及α且垂直AC及A′C′方位整體移動，扇形塊體ACD及A′C′D′分別繞點A及A′依切線方位運動。若在兩底角處依AC及A′C′方位設定底角錨桿，則其軸向方位垂直于扇形塊體的移動方位，這樣能夠在很大程度上控制扇形塊體及三角性塊體的調動，避免底鼓情況出現。

2) 幫部錨索。

煤的物理力學性質相對來說非常差，工作面回采歷程中受動壓干擾致使巷道兩側煤體向巷道內偏移，構成相對很大區間的破碎區。另外，錨桿長度有限，無法確保錨固在塑性區中構成相對好的承載構造，所以在兩側幫部位分別添置兩根錨索，使煤幫內部構成相互疊加的壓應力區，提升了煤幫抵抗變形性能。

為了分析幫部錨索控制兩幫變形的成效，制定4種方案見表1.

表1 幫部錨索模擬比較方案表

運用數值模擬方式，設定錨桿錨索參數，見表2.

表2 錨桿錨索參數表

4種方案下巷道圍巖表面位移分布狀況分別見圖5，表3.

圖5 巷道圍巖表面位移曲線圖

方案巷道圍巖變形量/mm頂板下沉量底鼓量煤柱幫變形量實體煤幫變形量1309.2782.1423.2342.72218.2672.2263.2182.33136.9564159.9104.24126.2532.114292.1

由表3及圖5可知，方案1、2，巷道圍巖變形量以很快的速度縮小，特別是兩幫變形量，煤柱幫及實體煤幫變形量縮小數值分別是69.59%及62.22%，而方案3、4，巷道圍巖變形相對來說幾乎維持恒定，數值改變相對非常小，頂板下沉量、底鼓量、煤柱幫及實體煤幫變形量分別縮小了10.7 mm、31.9 mm、17.9 mm及12.1 mm.

綜上所述，幫部設置錨索后縮小了巷道圍巖變形，這也表明在幫部設置錨索不僅能夠有效地控制兩幫變形，而且能夠控制頂底板變形。設置幫錨索從2根至3根，巷道圍巖變形改變相對很小，兩根錨索也能夠達到相對理想的支護成效，因此擇取方案3.

3) 施加高預緊力錨桿。

錨桿支護設計中一個關鍵參數就是錨桿預緊力，其是判別主動及被動支護的關鍵。高預緊力可以改變巷道圍巖的受力情況，經過托盤鋼帶等組合結構部件使圍巖兩向受壓變成三向，提升了巷道圍巖的穩定性。另外，高預緊力錨桿能夠有效地提升圍巖強度、剛度及黏聚力，進而構成一個完整的承載結構，控制圍巖出現變形。

3 結 論

對太原東山煤礦動壓巷道圍巖失穩機理及控制技術進行了研究設計：1) 設置底角錨桿，控制了巷道底板塊體的移動，避免了底鼓現象。2) 設置幫部錨索，使得煤柱幫及實體煤幫變形量縮小數值分別是69.59%及62.22%，對控制巷道兩幫變形起到了顯著的成效。3) 提出施加高預緊力錨桿，有效地提升了圍巖物理力學性能。

[1] 郭相平.強烈動壓巷道圍巖變形破壞機理及加固技術[J].煤礦開采,2016(6):57-60，64.

[2] 蘇亞峰.上行開采采動破裂圍巖巷道失穩及安全控制技術研究[D].安徽理工大學,2016.

[3] 劉 洋.麻家梁煤礦動壓巷道變形失穩機理及控制技術研究[D].中國礦業大學,2015.

[4] 張迎貴.深部松軟圍巖巷道變形機理及控制技術研究[D].安徽理工大學,2014.

[5] 李 兵,張東峰.松軟煤層動壓巷道圍巖控制機理研究及合理支護設計[J].煤炭工程,2013(9):41-43，46.

[6] 顧士亮.軟巖動壓巷道圍巖穩定性原理及控制技術研究[J].能源技術與管理,2004(4):15-17，38.

ResearchonMechanismandControlTechnologyofSurroundingRockinDynamicPressureRoadway

WANGYongqiang

In view of the existing problems of the surrounding rock control in Dongshan coal mine, the instability mechanism of surrounding rock and control technology in dynamic pressure roadway are studied. The mechanism of roadway deformation and failure and the deformation rule of roadway surrounding rock are analyzed. The roadway surrounding rock control techniques are put forward, including setting anchors in floor, anchor in sides and applying high pre-tension anchor. The design and analysis of the anchor cable setting on sides are also carried out. The surrounding rock control technology prevents the heaving floor, the deformation of the two sides, and the physical and mechanical properties of the surrounding rock are enhanced.

Dynamic pressure roadway; Instability mechanism; Surrounding rock control; Bolt support

TD353

：B

：1672-0652(2017)07-0052-03

2017-06-09

王永強(1968—)，男，山西河曲人，1992年畢業于山西礦業學院，工程師，主要從事煤礦采、掘技術以及安全管理工作(E-mail)383943803@qq.com