動壓巷道柔性錨桿“固—卸—轉”支護技術研究

宋曉彪

（山西潞安環保能源開發股份公司五陽煤礦，山西 長治 046205）

隨著煤礦井下綜合機械化作業程度的不斷提高，開采規模和開采強度不斷提高，煤炭工作面回采過程中產生的動壓現象越發顯著。對于一般性的地下工程，加強支護在一定程度上能夠保證圍巖結構穩定性，但對于動壓顯現引發的大變形破壞，若采取普通的維護方法，其效果往往不能滿足安全生產的要求，且耗費大量的維護成本。因此大量學者對動壓巷道圍巖變形破壞機理與控制方法進行了研究，取得了豐富的研究成果。在圍巖變形破壞機理方面，陳曉祥[1]研究了動壓巷道圍巖塑性區兩類滑移面的分布特征；在動壓圍巖控制方面，馬元[2]提出“卸壓—整體支護”理念，轉移淺部圍巖應力，提高巷道支護結構的承載能力。

本文以五陽煤礦8005 運輸巷為工程背景，提出動壓巷道柔性錨桿“固—卸—轉”支護技術，設計柔性錨桿支護方案，通過分段擴孔卸壓技術，合理調整圍巖應力場分布，優化巷道圍巖應力環境。

1 8005 運輸巷圍巖變形破壞機理

1.1 生產地質條件

8005 工作面位于80 采區南部，為一仰采工作面。工作面北部為8004 運輸巷，南部為文王山北斷層，西部為實煤體，東部為80 采區準備巷道，如圖1。

圖1 8005 工作面采掘工程平面圖

1.2 巷道變形破壞特征

現場調研分析可得，巷道變形破壞嚴重，頂底板移進量超過518 mm，兩幫移進量超過722 mm。巷道主要變形部位發生在煤柱側，煤柱側肩窩處產生擠壓變形，造成頂板下沉、幫部鼓包、錨網失效。

1.3 巷道變形破壞原因

（1）煤層賦存條件

8005 運輸巷頂板巖性為砂質泥巖，屬于不穩定頂板，加之煤體抗變形能力不及巖石，因此在復雜的應力條件下難以保證巷道的穩定性。

（2）鄰近采空區影響

8005 運輸巷南邊是8006 綜放工作面采空區，留設20 m 保護煤柱，工作面的開采活動會改變原巖應力分布狀態，而8005 運輸巷處在采空區側向應力集中區域，造成巷道變形破壞嚴重。

（3）采動影響

8005 工作面回采會嚴重影響巷道的穩定性，8005 工作面回采速度較快，造成頂板懸頂過大，導致應力無法釋放，引起劇烈的礦壓顯現現象，圍巖變形速度快。

綜上分析可知8005 運輸巷受地質構造和煤巷圍巖穩定性影響，應力環境復雜，再加上鄰近采空區和采動影響，導致圍巖應力集中現象突出，巷道變形嚴重，穩定性差。

2 柔性錨桿“固—卸—轉”支護技術

柔性錨桿“固—卸—轉”支護技術的基本原理是：在巷道開挖后，頂板首先利用柔性錨桿使頂板軟弱巖層與深部堅硬巖層連成整體，形成具有一定厚度的主動控制承載層，即預應力承載區，控制頂板淺部穩定，此區域內的壓應力區不間斷、連續完整。其次，打設長錨索，使錨桿與錨索形成整體，對圍巖起到協同控制作用，提高錨固體的承載能力。幫部首先打設錨桿，在淺部加固圍巖，形成巷道圍巖加固區，保證淺部圍巖的穩定。最后，施工卸壓鉆孔，轉移巷道圍巖應力。考慮到鉆孔對淺部圍巖強度的影響，提出分段擴孔卸壓技術，在巷道錨固層使用小鉆孔，避免淺部鉆孔產生的塑性區相互貫通，減少鉆孔對巷道淺部圍巖承載結構的破壞，降低鉆孔對巷道支護體強度的影響。在錨固區外、應力峰值點前采用大直徑鉆孔，多個鉆孔形成塑性區相互貫通，形成卸壓帶，降低巷道圍巖高應力，實現應力轉移與圍巖控制的協同作用。該技術的原理如圖2 和圖3。

圖2 柔性錨桿“固—卸—轉”支護原理正視圖

圖3 柔性錨桿“固—卸—轉”支護原理俯視圖

3 工業性試驗

3.1 “固—卸—轉”支護方案

根據現場地質條件及原支護形式，結合柔性錨桿的支護作用，確定巷道“固—卸—轉”支護方案。支護參數：頂板5 根柔性錨桿，規格為MSRG1860-17.8/4300，間排距1200 mm×1000 mm，左右兩根錨索與垂直面成10°，3 根長錨索，規格為Ф22 mm×6300 mm，1×19 股高強度低松弛預應力鋼絞線，間排距2000 mm×1000 mm，兩幫幫肩和幫腳錨桿與垂直面成10°，內幫同外幫一樣打設錨索，其余不變。給出強動壓巷道幫部卸壓鉆孔參數：未擴孔段卸壓鉆孔直徑120 mm，長度4 m，擴孔段卸壓鉆孔直徑240 mm，長度6 m，間距2000 mm。“固—卸—轉”支護圖如圖4。

圖4 柔性錨桿“固—卸—轉”支護圖（mm）

3.2 巷道表面位移監測結果分析

通過對8005 運輸巷63 d 的位移實時監測，將各測站的位移最大值進行統計，將各測站位移量隨時間的變化曲線分別繪制于圖5 中。結果表明：從巷道受8006 工作面回采影響一直到穩定過程中，巷道頂板下沉量、底鼓量和兩幫移近量的最大值分別達到105 mm、323 mm、343 mm，其平均變形速率分別為1.67 mm/d、5.13 mm/d、5.44 mm/d，較原支護方案分別減小了55.7%、54.4%和52.8%。

圖5 巷道位移量隨距工作面距離的變化曲線

4 結語

（1）分析了動壓巷道圍巖變形破壞特征及原因， 8005運輸巷變形破壞因素為：① 煤層賦存條件；② 鄰近采空區影響；③ 采動影響。

（2）根據動壓巷道圍巖變形破壞特征，基于應力轉移原理，提出柔性錨桿“固—卸—轉”支護技術，先采用柔性錨桿加強支護，然后采用分段擴孔卸壓技術，在錨固區內施工小直徑鉆孔，減少對支護體的影響，錨固區外施工大直徑鉆孔，轉移圍巖應力。

（3）設計“固—卸—轉”支護方案，在8005運輸巷進行工業性試驗。結果表明：巷道頂板下沉量、底鼓量和兩幫移近量的最大值分別達到105 mm、323 mm、343 mm，其平均變形速率分別為1.67 mm/d、5.13 mm/d、5.44 mm/d，較原支護方案分別減小了55.7%、54.4%和52.8%。