三心拱非對稱支護技術在軟巖巷道中的應用

劉濤 劉清偉 呂兆海

摘 要：隨著煤礦資源向深部開采，礦壓顯現問題突出。金家渠煤礦針對煤巷雙巷掘進、復合松軟頂板、層理節理發育、圍巖物理力學特性差等條件，從巷道變形特征分析、支護方式比選、壓力位移數據采集分析，按照主動支護、關鍵部位加強原則，采用非對稱支護技術解決了復雜應力下的巷道支護難題。

關鍵詞：復合頂板;巷道失穩;應力集中;耦合支護

中圖分類號：TD350.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）12-0171-02

0 引言

軟巖巷道主要表現為圍巖松散、變形量大、變形速度快、持續時間長、易變形破壞乃至冒頂[1-2]。隨著深部煤層資源開采，軟巖巷道支護成為制約礦井安全發展的主要瓶頸[3]。楊曉杰[4]等針對第三系復合型軟巖的變形特點提出“錨網索+底腳錨桿+柔層桁架”耦合支護技術，充分發揮支護體的支護能力;王洪閃等針對西部地區煤礦圍巖承載力低，錨噴支護難以有效控制圍巖變形的問題，基于圍巖松動圈理論、關鍵部位支護原理、基于滑移線理論和塑性極限分析法，確定了巷道支護參數;孫健新等提出軟弱煤巖復合頂板巷道頂板不協調變形、片幫嚴重、支護結構破壞是由高應力導致的圍巖流變、地質條件差、水的影響和圍巖結構不合理造成的;軒召軍等針對深埋大跨度復合頂板煤巷變形失穩特點，通過采用壓力拱理論和數值模擬技術對巷道圍巖變形規律進行分析，提出“錨桿（索）+金屬網+M鋼帶+單體支柱”的支護方案;孫輝等針對軟巖巷道變形破壞特點，提出“常規錨網噴+淺部圍巖注漿強化加固+礦用高強錨索束聯合中空注漿錨索支護”控制技術;趙增輝等針對西部礦區弱膠結軟巖地層極不穩定的特點，基于接觸單元法及非線性接觸理論，提出“階躍式”突跳特點，認定圍巖產生非穩定破壞的標志。

以上學者針對巷道圍巖變形破壞特點及支護燈進行了研究，筆者針對金家渠煤礦地質情況分析了不同斷面條件下巷道的變形特點及錨桿受力，提出了相應的支護方案，從而有效解決了軟巖巷道的變形失穩。

1 概況

金家渠煤礦隸屬于寧東煤田馬家灘礦區，井田地質條件復雜，尤其是2#煤層頂板屬于復合型軟巖頂板，平均埋深約650m，以130204運輸順槽為例，該工作面采用矩形斷面，掘進后圍巖變形較大支護困難，雙巷掘進期間兩巷煤柱松軟，巷道頂板及巷幫受到二次應力疊加，加速巷道變形，巷道維修工程量大，如圖1所示兩種破壞形式。圖1（a）為巷道墻部剪切破壞形式，曾出現局部漏頂事故;圖1（b）為頂板中部彎矩增大破壞形式，錨索及錨索梁破斷率高，支護材料失效。

2 巷道變形機理分析

根據130204運輸順槽鉆孔巖性分析，砂質泥巖抗壓強度在22.8MPa～29.1MPa，抗拉強度在4.7MPa～6.9MPa;泥巖抗壓強度在19.4MPa～25.8MPa，抗拉強度在4.8MPa～7.4MPa，屬于典型的軟弱巖體。其物理力學性質為：干燥條件下圍巖有一定的強度，遇水易膨脹變形失穩。如圖2所示，一級承載結構的長錨索容易將二級承載結構的含水層穿透，造成泥巖含水率提高，頂板巖層膨脹失穩。

3 巷道支護方式

根據巷道變形特點，巷道圍巖一側肩角及對應的底角出現不同程度的應力集中，是產生非對稱變形破壞的關鍵部位，由于巷道兩幫的應力分布集中程度不同、應變和位移量也不同，采用非對稱支護可加強煤柱側巷道收斂失穩，同時側限桁架錨索可提高煤柱抗壓強度，按照“主動支護、關鍵部位加強控制”原則，拱部采用雙層網加大護表密度、幫部采用菱形網和W型鋼護板增大護表面積，巷道拱部采用短錨索+桁架錨索+雙層網+噴砼支護，巷道回采幫采用錨網噴支護，煤柱幫采用錨網噴+側限桁架錨索支護，巷道整體呈不對稱支護，具體設計如圖3所示。

4 支護效果驗證

每隔20m設置一處礦壓監測站，對巷道頂板下沉量及巷幫位移量進行分析，及時掌握巷道壓力位移變化規律，驗證支護效果。十字布點法、頂板離層儀、錨索軸力監測，如圖4、5所示，通過頂板離層量、錨索軸力變化曲線得出，深部最大離層量為60mm，淺部離層量為30mm，巷道幫部表面位移量32mm，隨后巷道趨于穩定。

5 結語

（1）分析巷道幫部應力集中度高于頂板的這一特性，通過加強巷道幫部支護強度可提高巷道整體穩定性，將本工作面回采巷道服務年限在原設計基礎上延長15個月。（2）對1#幫部錨索軸力監測，初始值為14MPa，經過30d觀測最終穩定到21MPa;觀察2#煤柱幫肩窩錨索軸力監測壓力計，在21d錨索軸力變化較明顯，由安裝時額初始值14.5MPa，增大至32MPa，在21d后趨于穩定;3#拱部錨索軸力監測曲線，拱部5.3m錨索梁的錨索在45d內軸力持續增高，達到42MPa。（3）回采側錨桿軸力由初始值為8.7MPa，經過60d的監測最終穩定在10.2MPa，非對稱側限錨索在控制軟巖巷道幫部位移明顯效果，幫部煤巖體力學特性無衰減，應力集中區煤柱的抗壓強度提升1.5倍。

參考文獻

[1] 翟新獻，涂興子，李如波，等.深部軟巖錨注支護巷道圍巖變形機理研究[J].煤炭工程，2018，50（1）：36-41.

[2] 王普，張百勝，王磊，等.膨脹軟巖頂板回采巷道支護技術研究[J].采礦與巖層控制工程學報，2020，2（2）：53-61.

[3] 楊景賀.高應力軟巖巷道變形破壞與控制機理數值模擬研究[J].煤炭科學技術，2019，47（8）：52-58.

[4] 楊曉杰，婁浩朋，崔楠，等.軟巖巷道大變形機理及支護研究[J].煤炭科學技術，2015，43（9）：1-6.