北嶺煤礦大斷面軟巖巷道錨固承載結構和支護研究

張 文

（山西中煤平朔北嶺煤業有限公司，山西 朔州 038500）

大斷面軟巖巷道圍巖控制是礦井安全高效生產的難題[1]。北嶺煤礦4 號煤及泥巖頂板強度低、節理裂隙發育[2]，開巷后圍巖煤體破碎，巷道掘進及后期服務中易發生冒頂和片幫等事故[3]，巷道的安全掘進與維護存在難度大、安全性差等問題[4]。弄清巷道破壞機理，提出符合大斷面軟巖巷道工程條件的支護參數，是實現圍巖穩定控制的有效路徑。

已有的研究為本文提供了參考和基礎，由于大斷面軟巖巷道賦存復雜，采動影響劇烈，需要深入研究[5]。本文采用了理論分析、工程類比、數值模擬的方法，提出大斷面軟巖巷道承載結構和控制機理，設計出適合北嶺煤礦的支護方案，為軟巖巷道支護提供理論支撐。

1 軟巖巷道錨固承載結構

1.1 工程地質條件

北嶺煤礦4#煤層平均厚度10.1 m，傾角3°～5°，普氏系數f=1.7，外生裂隙發育，405 工作面運輸順槽埋深180～90 m。直接頂為泥巖，厚度為1.1 m，普氏系數f=2.3；基本頂為含礫粗砂巖、泥巖、砂質泥巖互層，普氏系數f=4.7。4#煤巖層完整性差，強度低，節理裂隙發育，承載性差，具有軟巖屬性。405 工作面運輸順槽斷面為矩形，巷道寬度為5.2 m，高度為3.5 m，沿煤層底板布置。

1.2 軟巖巷道錨固承載結構原理

軟巖巷道開挖后圍巖自承能力差，實施錨桿索支護，巷道圍巖、煤柱和錨桿索支護形成錨固承載結構。如圖1。

圖1 錨固承載結構示意圖

開挖后應力重新調整，巷道圍巖分為破碎區、塑性區和彈性區，打設的錨桿索作用于破碎區、塑性區和巷道圍巖形成了錨固結構，使得圍巖破碎后的殘余強度（δ、E、C）大大提高。針對巷道圍巖“小結構”采用主動錨固控制，使錨固體能充分發揮其承載能力。具體說，打設錨桿形成淺部承載結構，打設錨索形成中深部強化結構，強化圍巖強度和完整性，形成淺部-中深部一體承載結構，提高圍巖抵抗剪切、拉伸破壞能力，減少巷道軟弱圍巖承載失效和支護體變形破壞。

2 軟巖大斷面巷道支護設計

頂錨桿為Ф22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4 m，采用W 鋼護板（厚度×寬度×長度=4 mm×280 m×450 mm）[6]。

錨索為Ф17.8 mm，1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度7300 mm，鉆孔直徑28 mm，采用一支K2335 和兩支Z2360 樹脂藥卷錨固。

幫錨桿：正幫采用玻璃鋼錨桿，Ф18 mm，長度為1800 mm；副幫采用圓鋼錨桿，Ф18 mm，長度為1700 mm。

2.1 支護方案模擬研究

2.1.1 模型的建立

如圖2（a）所示，按照表1 參數建立模型，尺寸長×寬×高=50 m×30 m×50 m，巷道中線兩側各25 m 保護煤柱，沿巷道軸向掘進30 m[4]，如圖2（b）所示。平衡后，實施開挖和支護，支護材料的力學參數見表2。

表1 4#煤巖層力學參數

表2 錨桿、錨索力學參數

2.1.2 模擬方案

本次分析綜合考慮錨桿錨索間排距對支護效果的影響，提出設計方案見表3。巷道總長30 m，每次開挖5 m，分6 步開挖。

表3 初始方案設計 m

2.2 模擬結果分析

圍巖塑性區如圖3，可知頂板錨桿間排距越小，支護密度越大，頂板圍巖塑性區向深部發展的越少。各個方案中，巷道表面圍巖發生剪切破壞、張拉破壞，深部發生剪切破壞，調整錨桿（索）的間排距可以改變巷道淺部圍巖的破壞次數和破壞形式。

圖3 巷道塑性區分布

如圖4，在水平方向（巷道）從淺部到深部呈現應力降低區—原巖應力—應力升高區—原巖應力的變化[4]。由垂直應力分布（圖5），方案1 中最高垂直應力為6.219 4 MPa，方案5 為6.113 8 MPa，為原巖應力的2.01 倍。

圖4 巷道水平應力分布

錨桿索的間排距增大，支護密度減小，巷道頂板垂直方向上應力降低區域增大，頂板表層巖石強度損失越嚴重。在一定范圍內提高支護密度可以改變圍巖垂直應力分布特征，使圍巖避免出現拉應力破壞[2]。可知，方案5 較為合理。

3 現場應用分析

按方案5 在405 工作面運輸巷進行工業性試驗，布置測站對巷道變形進行監測。

由圖6 可知，測站處巷道變形特征主要為兩幫擠出，頂板變形較小，巷道表面位移在掘進初期變形較小，10 d 后變形速率加快，監測50 d 后變形趨于穩定，變形速率降低，監測期間（210 d 左右）兩幫及頂底板移近量最大分別為398 mm、269 mm。

4 結論

1）大斷面軟巖巷道圍巖強度低、承載性差，實施錨桿索支護，提高圍巖殘余強度，形成錨固承載結構，實現圍巖穩定性控制。

2）適當提高支護密度，可以減小圍巖破壞范圍，避免出現拉應力，減少軟巖巷道圍巖剝離和脫落，從而保證圍巖的完整性。