深部高應力巷道耦合支護應用研究

靳文飛

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

引言

在對深部煤層開采過程中，采掘巷道所處位置上覆巖層水土壓力逐漸增大，巷道掘進后破壞失穩的可能性增大，巷道圍巖趨向于破壞失穩，嚴重影響煤層的安全開采作業。隨著巷道埋深的增大，單一的利用錨桿改善巷道圍巖的應力條件或者利用雙層鋼筋混凝土進行讓壓支護的方法已經難以滿足深部巷道的支護要求。利用錨桿、錨索和鋼筋混凝土結構耦合對深部巷道圍巖進行加固，根據深部巷道圍巖強度、埋深、支護阻力等特征設計耦合支護參數，增強巷道圍巖強度，防止巷道失穩變形，提高巷道安全性。經實踐表明，耦合支護措施對巷道安全掘進具有一定實用意義。

1 巷道破壞機理（塑性區）

巷道變形失穩的主要原因是巷道圍巖內塑性區的破壞變形，在上覆巖層水土壓力作用下，塑性區內巖體破碎成巖塊，膨脹的巖塊作用在巷道圍巖上，導致巷道截面收縮變形，降低了巷道安全性。塑性區半徑越大，巷道失穩變形的可能性越大，巷道失穩變形時的頂底板位移量初始值和終值較大，在某礦+1 200 m 掘進巷道掘進過程中，頂板位移量峰值達到1 067 mm，嚴重影響井下煤炭資源的正常開采。塑性區半徑大小與巷道圍巖性質、巷道截面半徑、巷道內支護阻力和巷道所處位置水土壓力有關，不考慮巷道圍巖性質、巷道截面半徑、巷道內支護阻力的影響，塑性區半徑大小與巷道所處位置的水土壓力成正比。巷道在均質巖層中掘進時塑性區受力簡圖。如圖1 所示，在近似相等的圍巖應力P1和P2作用下，巷道圍巖中的塑性區為圓形或橢圓形。圖1 中P0為巷道內的支護阻力，當支護阻力P0與水平圍巖應力P1或垂直圍巖應力P2的差值超過塑性區內圍巖的承載能力時，塑性區內圍巖破碎膨脹，產生應力作用在巷道圍巖上，巷道變形失穩，引起頂板冒落、片幫、地板隆起現象。

圖1 塑性區受力簡圖

2 深部巷道變形過程

巷道煤巖體是一種脆性結構，巖層的抗壓強度大于巖層的抗剪強度，巷道頂板上覆巖層在頂板內產生剪切應力，在幫部和底板內產生壓應力，由于巖層的抗壓強度遠大于抗剪強度，巷道頂板圍巖更容易在上覆巖層水土壓力或采動壓力下破壞變形。在+1 200 m 掘進巷道的現場監測中，頂板變形量峰值在700～1 100 mm 之間；幫部在上覆巖層水土壓力作用下產生壓裂破壞，幫部變形過程中主要受到壓應力的作用，在+1 200 m 掘進巷道的現場監測中，幫部變形量峰值在500～1 000 mm 之間；受到礦井生產的影響，巷道掘進后及時鋪設軌道、支柱、混凝土等結構，在較大程度上抑止了底板變形，底板位移量的監測數值較小。

深部巷道掘進后的初始變形值和最終變形值較大，決定了傳統的雙網支護方式難以發揮支護作用。傳統的雙網支護方式利用兩層鋼筋混凝土結構對巷道進行支護。第一層鋼筋混凝土結構厚度較小，在支護巷道圍巖的同時，利用自身的塑性變形吸收一部分巷道圍巖的變形；第二層鋼筋混凝土結構厚度較大，與第一層鋼筋混凝土結構相比具有更大的剛度和強度，直接作用在第一層鋼筋混凝土結構上，約束巷道圍巖的變形。隨著巷道埋深的增大，巷道所處位置的水土壓力增大，巷道掘進后的初始變形值和最終變形值較大，傳統的讓壓支護方式在深部巷道中不再適用，傳統的雙網支護技術難以抵抗較大的圍巖應力和較大圍巖變形量，難以發揮支護作用，容易在水土壓力或采動壓力作用下產生變形破壞，降低煤礦開采的安全性。耦合支護措施則可以很好地避免這一問題。耦合支護技術利用錨桿錨索對巷道圍巖進行加固，提高巷道圍巖的承載能力，減少巷道圍巖的變形值，同時在巷道內側噴射一層鋼筋混凝土，確保巷道圍巖的整體性，與傳統的雙網支護技術相比，耦合支護只采用一層鋼筋混凝土作為錨桿錨索支護的輔助措施，主要用以維持巷道圍巖的整體性，防止局部掉塊造成的應力薄弱環節[1-3]。

3 耦合支護技術機理

耦合支護技術通過在巷道圍巖中植入錨桿，在錨桿的周圍形成以錨桿為對角線的近似菱形加固區，通過選擇合理的錨桿間距，使菱形加固區部分重疊形成完整的加固帶，提高巷道圍巖的強度；通過沿巷道截面施作一層鋼筋混凝土結構，提高巷道圍巖的整體性，防止因掉塊形成應力集中，降低巷道圍巖的承載能力。錨桿菱形加固區對巷道圍巖的加固作用在遠離錨桿軸線的方向上逐漸減小，在錨桿的菱形加固區邊緣植入錨索，在空間上錨索的植入點為相鄰四根錨桿形成的四邊形的中間位置，在充分提高錨桿加固效果的同時，避免了材料的浪費。耦合支護技術簡圖如圖2 所示。

圖2 耦合支護圖

如圖2 所示，在巷道內向圍巖內植入錨桿ab后，形成以ab 為對角線的菱形加固區，相鄰的錨桿菱形加固區部分重疊，形成連續的加固帶AB。在相鄰的四根錨桿形成的四邊形的中心位置植入錨索cd，維持錨桿加固區加固強度的一致性。與傳統的雙層鋼筋混凝土結構支護技術不同，在巷道臨空面施作一層鋼筋混凝土結構CD，作為錨桿錨索支護巷道的輔助措施，防止因掉塊形成應力集中。

4 耦合支護設計

深部巷道掘進過程中，在上覆巖層水土壓力和采動壓力作用下，巷道的初始變形值和最終變形值較大，應適當減小錨桿的間排距，增強錨桿加固帶的承載能力。耦合支護參數的計算公式：

式中：L 為錨桿長度，m；N 為安全系數；W 為巷道跨度，m；H 為錨索長度，m；H1、H2為穩定、不穩定巖層中錨索長度，m；H3為錨具厚度，m；H4為外露張拉長度。

錨桿的間排距計算公式：

式中：a 為錨桿間排距，m；G 為錨固力，kN/根；N 為安全系數；L2為頂板巖體內破碎帶高度，m；γ 為巖體容重。

在式（3）中，N 表示安全系數，取值1.10～1.35，為了提高巷道的安全性，安全系數N 取最大值1.35。錨桿菱形加固區范圍大小與錨桿的預緊力成正比關系，隨著錨桿預緊力的增大，錨桿的菱形加固區范圍逐漸增大至趨近于加固范圍最大值。實驗表明，為了使相鄰的錨桿菱形加固區范圍重疊形成完整的加固帶，錨桿的預緊力不應小于120 kN。

在深部巷道掘進后，沿巷道臨空面施作一層鋼筋混凝土結構，用以提高巷道圍巖的整體性，避免因巷道圍巖掉塊造成應力集中。與傳統的雙層鋼筋混凝土支護結構不同，深部巷道開采過程中，巷道的初始變形值和最終變形值較大，傳統的讓壓支護方式支護強度低，難以滿足較大變形巷道的支護要求，在耦合支護技術中僅噴射一層鋼筋混凝土，作為錨桿錨索支護后的輔助措施，用以維持巷道圍巖的整體性，防止因圍巖掉塊形成應力集中，破壞圍巖的整體性。當巷道在軟弱易破碎的泥巖、砂巖中掘進時，巷道掘進過程中，及時向巷道圍巖內注射加固漿液，提高巷道圍巖的整體性和承載能力。

5 耦合支護應用

利用耦合支護技術對某礦下巷頂板進行支護，該下巷頂板主要為軟弱易破碎的泥巖或砂巖（直接頂為32 m 泥巖，基本頂為砂巖，上覆礫巖），巷道尺寸6.7 m×4.5 m，根據深部復雜巷道上覆圍巖水土壓力小、圍巖軟弱易破碎的特點，設計錨桿選用螺紋鋼，直徑22 mm，長度2 400 mm，設計錨桿預緊力150 kN；錨索選用鋼絞線，直徑22 mm，長度6 300 mm，錨桿間排距900 mm×900 mm，錨索布置在相鄰四根錨桿組成的四邊形的中心位置，錨索間排距與錨桿間排距相同。鋼筋混凝土結構中：鋼筋網片采用Φ6.5 mm 圓鋼加工鋼筋網片，沿巷道掘進方向搭接布置，搭接長度不小于100 mm，將鋼筋網片固定后，噴射混凝土設計厚度35 mm。在巷道中布置6 個監測站，采集采用耦合支護技術對該下巷頂板進行支護后對比段巷道和試驗段巷道頂板變形量數據，監測結果如圖3 所示。圖3 中線條1 表示使用耦合支護技術前對比段巷道頂板位移量，線條2 表示試用耦合支護技術后試驗段巷道頂板位移量。在前7 d的監測過程中，對比段巷道頂板的變形量快速增長至400 mm，7 d 后巷道頂板變形量緩慢持續增長，最終穩定在422 mm；在前7 d 的監測過程中，試驗段巷道頂板的變形量快速增長至200 mm，7 d 后巷道頂板變形量緩慢持續增長，最終穩定在221 mm。經統計分析可以發現，使用耦合支護技術對巷道頂板進行支護后，巷道頂板變形量減少201 mm，減少幅度約為47.6%。

圖3 對比段和試驗段巷道頂板變形量

6 結語

實踐結果表明，耦合支護技術能明顯提高深部巷道圍巖的承載能力，增強巷道圍巖的整體性和穩定性。在實用耦合支護技術對下巷頂板進行支護后，巷道的頂板位移量明顯下降，提高了巷道的安全性，具有一定的實用價值。