復雜巖巷高預應力支護技術研究與應用

張 釬

（陽泉煤業（集團）有限責任公司一礦，山西 陽泉 045008）

1 工作面概況

陽煤一礦81304 工作面地面位于燒紙腦以東，營房溝以南，磨石巖以西，南坪溝以北。井下位于十三采區西翼的南部，十三采區西部邊界線以東，十三采區西回風巷以西，81306 工作面（未掘）以南，81302 工作面以北。

81304 低抽巷用作本工作面回采時瓦斯抽放專用通道，巷道以K2 石灰巖為標志層，位于15 號煤層上方約9 m，沿黑色泥巖掘進。巷道地面標高1 125～1 425 m，井下標高668～714 m，平均埋深約500 m；巷道設計長度1 780 m，預計服務年限2 a；巷道坡度最小2°，最大11°，平均6°。隨后掘進的81304 回風巷將會對試驗巷道產生動壓影響，另外南部81302 工作面（已回采）對巷道也有一定壓力。

試驗巷道直接頂為K2 石灰巖，深灰色，厚度約2.7 m，致密、堅硬，裂隙充斥方解石，普氏硬度系數8.0～12.0；再上為泥巖，黑色，厚度約9.7 m，致密、塊狀、質脆，普氏硬度系數8.0～12.0；底板為深灰色石灰巖，厚度約2.7 m，致密、堅硬。

該區域總體構造形態為一單斜構造，局部發育有次一級的向、背斜，傾角大致在2°～11°之間。掘進至距開口處182 m 處預計遇有陷落柱，掘進至距開口處811 m、972 m 處預計有撓曲構造。

2 地質力學參數測試

2.1 地應力測試

陽煤一礦區域水平主應力最大值為18.19 MPa、最小水平主應力最大值為9.42 MPa。三個測點最大水平主應力方向分別為N57.7°W、N38.7°W 和N50.1°W，為NWW 方向，方向一致性好。

2.2 頂板巖性分析

頂板0～0.7 m 為泥質砂巖，巖層呈灰黑色，泥質膠結巖層較完整。0.7～4.9 m 為石灰巖，呈灰白色，致密堅硬；其中1.0～1.3 m 為縱向微裂隙，1.9～2.6 m 裂隙比較發育，3.7～4.7 m 賦存多條方解石巖脈。4.9～10.0 m 為砂質泥巖，巖層呈灰黑色，泥質膠結，其中4.9～6.7 m 巖層比較完整，6.8 m 處有明顯的橫裂隙，8.1 m 為微裂隙。10.0～14.7 m 為細砂巖，巖層呈深灰色，鈣質膠結，較為堅硬；11.5～14.7 m 巖層相對完整；14.7～20.1 m 為砂質泥巖，巖層呈灰黑色，泥質膠結，其中15.0 m 為橫向原生裂隙，15.4～19.0 m 巖層完整。

3 巷道破壞理論分析

3.1 頂板變形破壞特征分析

層狀頂板部分巖塊的冒落和兩幫煤體的受壓變形，頂板各分層發生了彎曲下沉，兩幫上方的頂板巖體向巷道空間內旋轉。上部頂板巖塊在圍巖應力作用下發生了塑性變形，由一個或多個頂板分層形成了鉸接巖塊結構及裂隙彎曲結構。下部鉸接巖塊結構處于準平衡、隨動穩定狀態，其結構穩定性與水平應力、頂板厚跨比等因素有關。上部裂隙彎曲結構處于亞穩定狀態，具有一定自承載能力，隨著采動影響的加大，可能轉化為鉸接巖塊結構。頂板結構都形成了下部鉸接巖塊結構及上部裂隙彎曲結構，以裂隙彎曲結構作為頂板主要承載體進入亞平衡狀態。

3.2 兩幫和底板結構及穩定性分析

試驗巷道為巖石巷道，兩幫為泥巖層，相較于煤幫來說，巖石巷幫較為穩定，巷道較容易支護。但若巷道位于相鄰巷道掘進或工作面回采等擾動引起的應力增高區時，加之巖石巷幫表面容易受到風化作用而脆裂時，巷幫容易發生破碎片幫現象，從而誘發頂板變形和巷道整體破壞；反之，當巷道位于相鄰巷道掘進或工作面回采等擾動引起的應力降低區時，再加上對巷幫表面進行薄層噴漿處理時，可有力控制巷幫破碎片幫變形，保證巷幫整體穩定性。

3.3 煤柱尺寸對巷道穩定性影響分析

窄煤柱沿空掘巷穩定因素主要取決于采場支承壓力的分布規律以及其對窄煤柱沿空巷道圍巖的影響程度。本次試驗中，試驗巷道位于煤層上方8 m 處的泥巖層中，與相鄰的回風巷和采空區距離分別為30 m、45 m，巷道受到相鄰回風巷的掘進影響和相鄰工作面的采動影響，動壓明顯。煤柱尺寸留設原則，是巷道既避開頂板回轉結構造成的應力增高區，又能滿足低位瓦斯抽放要求。

4 設計方案與技術參數

4.1 原支護方案評價

巷道為巖石巷道，周邊將受到81304 回風巷的掘進影響和81302 工作面采空區的不穩定影響，圍巖應力復雜，巷道后期變形較大。井下調研發現，掘進期間巷道頂板相對穩定，下沉量較小，但構造段頂板較為破碎，凹凸不平，局部出現破碎冒落；巷道兩幫有一定變形，部分段巷幫片幫、破碎，出現兜網和錨桿后空現象。尤其是隨后81304 回風巷的掘進影響，將顯著影響巷道圍巖的受力情況。加之，巷道兩幫采用單體錨桿配拱形托板（不帶調心功能）支護，護表面積和預應力擴散效果較差，錨桿預應力偏低，巷幫支護相對較弱，部分段變形劇烈，甚至破碎片幫。

4.2 新支護方案設計

巷道頂板支護錨索為每排4 根，間距1 000 mm；其余支護參數同前900 mm 段支護參數，巷道斷面支護布置如圖1。

圖1 巷道支護斷面圖（單位：mm）

5 礦壓顯現規律及支護效果

巷道表面位移監測曲線如圖2 所示，頂板的最大下沉量約22 mm，兩幫最大移近量約14 mm，相對于巷道尺寸，整體變形較小，在允許范圍內。

從變形時間來看，巷道的變形量主要集中在掘進工作面30 m 范圍內，超過此范圍巷道的變形量趨于穩定，說明巷道支護效果較好。錨桿、錨索受力監測結果如圖3 所示。

圖2 表面位移監測曲線

圖3 錨桿受力曲線

從錨桿受力監測曲線可知：錨桿初始預緊力主要在38～56 kN 之間，這與錨桿初始施加的300 N·m預緊扭矩基本吻合；個別錨桿略有降低和增加，這與巷道圍巖變形和表面破碎卸壓有關；總的來說，錨桿受力穩定，且均在極限承載范圍內，說明錨桿的選取是合理的，錨桿也很好的發揮了積極主動的支護作用。

通過錨桿錨索受力監測分析，結合前述巷道位移變形，可知錨桿錨索受力變動主要發生在前2 d內，然后趨于穩定；巷道整體變形較小，巷道掘進期間處于安全可靠狀態。

6 支護效果評估與技術經濟效益分析

1）從現場試驗來看，在井下工業性試驗的基礎上，工人已經熟練掌握新型巷道施工機具，頂板和兩幫扭矩倍增器得到很好的推廣和應用，錨桿和錨索能夠提供足夠的錨固力與預緊力，在巷道掘進初期能夠給圍巖施加很高的預應力，實現“三高一低”支護理念。

2）通過錨桿錨索施加高預緊力，保證了巷道支護的效果，增加鋼筋拖梁，增大了巷道的護表面積。保證其支護效果的前提下，對該類型巷道進行頂幫支護協調性優化，實現成本和施工進度相配合，增加礦井的經濟效益，為礦井的高質量發展創造條件。