淺析煤礦巷道錨網支護機理及圍巖變形規律

喻丕龍 折敏

摘 要：近些年淺部煤炭資源逐漸開采完畢，深入化的煤礦開采工程已經成為必然。文章以煤礦工程圍巖變形問題作為研究對象，探究錨網支護的耦合效果和巷道錨網支護下圍巖的變形規律，計算出護網受力值，確定錨網支護強度耦合標準。在此基礎上，分析不同方案中巷道塑性和應力的分布情況，經研究使巷道圍巖變形情況得到改善，給深部破碎巷道提供有力的技術支持。

關鍵詞：錨網支護;巷道圍巖;變形機理

引言：

隨著礦井開采面的擴張和開采深度的加大，巷道的地質力學環境受應力場的影響更加復雜，巷道在開挖后會保持一段塑性變形的時間。現階段，傳統的普通支護方式已經無法迎合巷道施工的正常需求。煤礦地質條件不同進而影響了礦井錨網支護的機理，為發揮出錨網支護作用，減少巷道變形情況的發生，要綜合分析支護技術和圍巖變形的規律，這樣才能提升煤礦工程的經濟效益。

一、錨網強度耦合

本文以某生產規模為90萬t/a，井田為2Km，井田面積為9.4Km2的礦井作為研究目標，井田包含兩組含煤地層，兩組煤層細分為1號、2號、3號、9號煤層，1號煤層為可采煤層，2號煤層為穩定可采煤層，第一組煤層的平均厚度為2m，含煤系數為6%。第二組有9層煤，其中3號和9號煤層是穩定可采煤層，其余為不可采煤層，這一組煤層的平均厚度為3.2m，含煤系數為3%。經實際探究，2號煤層埋深600m，煤層的厚度設置為1～3m。

巷道圍巖控制技術在使用過程中要將護網的承載力分散到錨桿上，在錨桿預緊力、直徑、長度、強度等規格增大的情況下，錨桿的支護范圍隨之擴大，但還存在一定錨空區，因此需要護網來支撐錨空區域的圍巖。如果錨空區域的圍巖破損，會增加網片的負荷，網片在增加荷載后會產生網兜的情況。結合靜力平衡原理，圍巖接觸的網絲和網片承受的荷載力能夠保持豎直方向合力一致。

結合有關計算方法得出，損壞巖石的重力、網絲的彈性模量以及橫截面積都會影響金屬網下沉角。利用擴大網絲的橫截面積和彈性模量的方法來提高網片的保護性能。在出現金屬網規格和錨桿距離保持一致時，網片所受到的荷載力達到最大值[1]。

二、錨網支護下圍巖變形規律

（一）建立模型

探究采用錨網支護技術圍巖變形的規律，建模可以使用FLAC3D數值模擬軟件，建立模型的尺寸為42m×42m×50m。巷道圍巖的具體參數是：內摩擦角30°，黏聚力8×105MPa，彈性模量為2.8×104MPa，泊松比設置為0.3，抗壓強度55.5MPa。

工程采取三種模擬方案，分別是方案1：沒有采用支護方法;方案2：采用錨桿+菱形金屬網支護方法;方案3：采用錨桿+格賓金屬網支護方法。

（二）模擬分析方法

經實驗表明方案1巷道不設置支護的情況下，四個角會出現較大的塑性范圍，呈蝴蝶形狀;方案2錨桿+菱形金屬網支護的方式巷道塑性范圍仍然很大，但比方案1的范圍小一些，縮小約19%，呈螃蟹形狀。由此可見錨桿+菱形支護可以起到一定支護作用，但沒有發揮出金屬網的支護效果;方案3錨桿+格賓金屬網支護方式下，巷道的塑性范圍比方案1縮小了10%，并和方案2塑性區域形狀相同。

結合以上分析結果，采用錨網支護方式能夠縮小圍巖自身塑性的面積，降低巷道受到的圍巖應力，并減少了塑性區域的范圍，發揮出有效的支護作用。而采用錨桿+格賓金屬網支護是這三種方案中效果最佳的一種。

（三）巷道圍巖應力分布情況

不同條件下巷道的水平應力不同，采取方案1時，巷道的應力集中在頂板上，其應力的峰值能夠達到5.7MPa，巷道兩側最大的水平應力為1.9MPa，頂底板的水平應力為1.6MPa;方案2基礎條件下利用支護網，巷道圍巖的壓力會隨之減小，頂板最大應力為4.3MPa，巷道兩側水平應力為0.9MPa，頂底板受到的最大水平應力為0.8MPa。由此表明采用錨網支護的方法能夠降低巷道圍巖產生的應力，在利用錨桿+格賓金屬網支護方法后，巷道兩側受到的水平應力以及頂底板應力都明顯降低[2]。

（四）巷道圍巖位移情況

采用不同支護方案，巷道會出現不同程度水平位移現象，經研究結果顯示，方案1無支護情況下，巷道兩側最大形變量能夠達到420mm;方案2中巷道正受到錨桿+菱形金屬網的支護，其最大變形量為280mm;方案3巷道在錨桿+格賓金屬網支護下最大變形量為130mm，由此可見采用錨網支護的方式能夠有效改善巷道兩側出現變形或頂底板出現變形問題。

三、巷道圍巖變形機理和返修支護方案

（一）巷道圍巖性質

根據該工程項目所處的地理環境對圍巖成分做出詳細分析，巷道圍巖中包含了大量云母等黏土礦物，這類礦物在遇水會出現泥化、軟化的情況，給圍巖控制帶來一定影響。

（二）巷道圍巖松動圈

為了體現巷道圍巖設計的作用，需要明確原支護設計中存在的問題。要對該工程項目進行圍巖動圈測試。據結果顯示，巷道兩幫、底板和頂板尾圍巖都存在一定程度變形，原錨網噴支護的方式已經無法控制圍巖產生變形和破壞。

（三）巷道變形破壞機理

1.巷道埋深過大

該工程巷道平均埋深超過720m，已經屬于深部開采范圍，對現場進行地應力測試能發現水平主應力的應力值最大，能夠達到28.9MPa，垂直應力能夠達到19.8MPa。在這種應力環境下即便巷道圍巖足夠堅硬，但還會出現工程軟巖情況，最終形成巷道大面積破壞問題。

2.原支護設計存在問題

該工程原支護方式是在巷道底板位置用混凝土進行封底，并沒有采用其他的強化方法，導致巷道底板產生大量高應力，在其底部能夠看到鼓起，增加巷道兩邊移近。

3.巷道圍巖中存在較多的軟巖

分析巷道中圍巖的主要成分，了解到圍巖中包含了云母和高嶺石，根據工程實際情況顯示，巷道兩底角出現水體，影響了巷道的穩定結構。

（四）錨索支護注意事項

要掌握好巷道錨索的支護強度，控制錨桿的質量。如果對軟巖石進行支護，需要加強錨固力和初錨力，進而降低煤礦開采阻力，提升其支護強度。此外，有的巷道錨索支護局部支護位置比較薄弱，這就要對錨索的支護方式進行改進，增大圍巖表層的約束力，避免在支護過程因圍巖破壞導致擴散程度變大的情況。

（五）返修支護方案

根據該工程巷道存在的變形問題和巷道主要用途，相關技術人員提出了錨網索+注漿返修支護方案，結合巷道基本條件來看，要延長原支護錨桿，這樣更容易在淺部巷道形成“錨桿+巷道淺部圍巖+金屬網+噴漿層”的支護結構，在進行巷道返修后，需要把控好圍巖變形問題和出現破壞的情況，發揮出淺層圍巖的穩定作用。再采取增加長錨索的支護方法，讓穩定圍巖對淺層圍巖進行懸吊，將淺層圍巖懸吊在穩定圍巖的下部，給錨索托盤施加一定預應力，這樣更有利于淺層圍巖的預緊壓縮，進而將淺層圍巖受到的單軸應力轉化為三軸應力，增加淺部圍巖受力極限。此外，在淺部低壓力位置進行注漿工作，將出現的裂隙封堵上，形成“錨桿+圍巖+淺部注漿”應力承載結構，在巷道淺部形成完整的支護，讓其能夠抵抗更高的應力，將應力峰值轉移到穩定的圍巖上，既保護淺層支護結構的穩定性，又降低圍巖受地應力，開展良好的巷道支護工作[3]。

（六）返修支護效果

可以采用“十字交叉”方法觀察巷道變形情況，掌握返修支護的實際效果。根據實際結果顯示，返修支護方案后，巷道圍巖整體結構更加穩定，兩側受到的應力和頂底板應力都明顯降低，保證了巷道的正常使用。

總結：

綜上所述，根據理論計算和數值分析得出，為提高錨網支護耦合強度，需要網片發揮出良好效果。采用錨網支護方式能夠有效改善圍巖本身存在的塑性，縮小塑性擴展范圍，并且使用錨桿+格賓金屬網的支護方法最佳。對巷道進行錨網支護，還能降低圍巖產生的應力以及圍巖出現變形的情況，巷道兩幫所受到的應力和產生的變形量都會明顯降低。

參考文獻：

[1]高議民.煤礦巷道錨網支護機理及圍巖變形規律分析[J].能源與環保，2021，43（01）：125-128.

[2]何俊.煤礦巷道圍巖變形機理及支護控制對策研究[J].能源技術與管理，2020，45（03）：85-86+165.

[3]王偉，趙華全.淺析煤礦巷道錨索支護技術的應用[J].內蒙古煤炭經濟，2020（07）：184.