深井高地應力軟巖巷道底鼓機理及控制技術研究

張 鷹

（山西西山礦業管理公司，山西 太原 030053）

0 引言

據我國國家統計局統計可知，我國目前煤炭消耗量占據總消耗量的60%以上，在一次能源的消耗占比更是達到了70%，這無疑可以看出煤炭資源對于我國生產及生活的重要性。隨著我國提出可持續發展戰略，煤炭資源的開采量逐年降低，但由于其基數較大，在未來很久的時間段內，煤炭資源的開采仍是我國賴以生存的重要依仗。在礦井開采過程中，巷道的穩定性十分重要[1-2]，在回采巷道由于受到多重支撐壓力的擾動，使得礦壓顯現十分復雜，造成巷道的維護難度在增大，所以如何解決回采巷道超前支護的穩定性成為了研究重點。此前眾多學者對其支護形式及支護參數優化進行過研究[3]，本文以狼窩渠礦23204 工作面為研究對象，針對其回采巷道超前支護的單體液壓支架支護效率低、支護強度大的問題，提出利用注漿錨索代替液壓支柱的支護方案，利用數值模擬結合現場實踐，驗證了支護方案的可行性，為礦井安全高效開采提供依據。

1 礦井概況和數值模擬

狼窩渠礦位于陜西神木西北約55 km 處，井田面積為6.18 km2，設計生產能力為1.2 Mt/a，23204 工作面現采3#煤，煤層厚度2.4～2.88 m，平均厚度2.72 m，工作面地表相對位置位于二采區西部，西部為南北翼瓦斯聯絡巷，南部為23201 工作面（西部）（未掘進），北部為23201（西部）綜采工作面（已回采），東部為本采區西副巷，對應上方為2#煤層工作面采空區。煤層覆存較為穩定且結構接單。煤層厚度3.6～4.6 m，平均厚度為4.2 m，煤層為近水平煤層。隨著礦井自動化、智能化采掘技術的不斷發展以及礦井巷道支護技術的創新發展，狼窩渠礦為有效控制巷道圍巖穩定性設計在23204 工作面運輸巷超前段采用注漿錨索替代液壓支柱超前支護的方案。煤層頂板及底板巖性特征表如表1 所示。

表1 煤層頂板及底板巖性特征表

在進行開挖時，此時巷道圍巖的應力進行重新分布，采用高強度錨索對巷道圍巖進行加固，減小煤巖的變形，首先對錨索在考慮地質情況及模擬邊界效應的基礎上，確定錨巖體的尺寸為20 m×10 m×20 m，對模型進行網格劃分，劃分采用粗劃分的方式，網格尺寸為0.2 m×0.1 m×0.2 m。模型采用摩爾庫倫屈服準則，在模型的下及左右邊界分別設定固定約束，在模型上端部施加均布荷載，根據埋深計算可得均布荷載為4.5 MPa，完成模型建立，對頂板注漿錨索支護參數進行研究，首先對不同錨索預應力下巷道垂直應力分布情況進行研究，預應力分別為100、150、200 kN，錨索尺寸為Φ21.8 mm×6 200 mm，間排距為1 800 mm×900 mm，模擬云圖如圖1 所示。

圖1 不同錨索預應力下巷道垂直應力分布云圖

由圖1 分析可知，當錨索預緊力為100 kN 時，巷道頂板會發生行變并將應力傳遞到整個錨索。并早巷道上覆巖層2.5 m 深度位置產生應力重疊區，直接構成支護承載結構。在錨索的頂底兩端、以及巷道底板的壓應力集中區未能構成有效的銜接，從而正在此位置的應力值較小，應力沒有產生重疊，難以形成有效的承載力，導致巷道圍巖控制不穩定。而當錨索預緊力為150 kN 及200 kN 時，此時隨著錨索預緊力的釋放，頂板深部一定范圍內壓應力疊加，構成穩定的承載結構。在錨索底端與頂端的壓應力形成貫穿，應力疊加效果較好，此時能夠有效提升圍巖承載能力，支護效果較好。

通過以上分析可知，當給錨索施加的預緊力≥150 kN 時，這個階段在巷道頂板巖層內會產生預應力的分布，使預緊力與巖層內的預應力形成有效重疊，從而產生應力集中區，降低由于巷道采掘所導致的巷道頂板拉應力破壞。大幅提高巷道圍巖的穩定性以及錨巖支護體承載力，改善圍巖的受力狀態，降低由于巷道頂板變形導致的應力集中問題。

對不同間排距下巷道垂直應力分布進行分析，預緊力為150 kN，間排距分別為1 200 mm×900 mm、1 800 mm×900 mm、1 800 mm×1 800 mm，垂直應力分布云圖如圖2 所示。

從圖2 可以看出，當錨索的間排距為1 200 mm×900 mm 時，此時能在頂板中產生預應力分布，巖層中的預應力得到有效疊加，此時頂板巖層整體處于壓應力區；而當錨索間排距增大至1 800 mm×900 mm 時，此時巖層中的預應力能夠有效疊加，同樣在頂板形成壓應力區，此時產生的壓應力區未見明顯縮減，巷道開挖后頂板的拉應力破壞狀態得到改變。錨巖支護體承載結構支護效果較好，巷道圍巖的承載能力大幅提升，同時減輕了頂板彎曲下沉對于煤柱體的影響，有效保證了巷道穩定性。當間排距擴大到1 800 mm×1 800 mm 時，錨索兩段間的有效壓應力區有了一定的減弱，對圍巖的錨固作用降低。所以確定最佳錨索間排距為1 800 mm×900 mm。

2 工業化實踐

對注漿錨索支護方案進行工業化試驗，運輸巷道的凈斷面尺寸為4 200 mm×4 000 mm，在原有支護方案的基礎上，利用注漿錨索代替單體液壓支柱，使用1×8 股的注漿錨索對巷道進行支護，錨索的尺寸為Φ21.8 mm×6 200 mm，間排距為1 800 mm×900 mm。并用厚度為3 mm，長度2 400 mm 的W 形鋼帶對注漿錨索進行銜接，每跟錨索采用1 卷MSK2350 樹脂錨固劑進行錨固，并給錨索的施加150 kN 的預緊力，錨索的托盤使用300 mm×300 mm×16 mm 的鼓形托盤。在超前工作面30～50 m 的位置進行錨索注漿支護，注漿壓力小于5 MPa。注漿錨索超前支護示意圖如圖3 所示。

圖3 注漿錨索超前支護示意圖（單位：mm）

如圖3 所示，在階段I 的位置使用注漿錨索搭配單體液壓支柱進行超前聯合支護。單體液壓支柱每排三根，間排距1 200 mm×2 700 mm。在階段II 的范圍內同樣采用單體液壓支柱和注漿錨索聯合的超前支護形式。單體液壓支柱的間排距設定為1 800 mm×2 700 mm。階段III 同樣為單體液壓支柱與注漿錨索。液壓支柱的間排距為2 700 mm×2 700 mm。階段Ⅳ的范圍內取消單體支柱，單排2 根注漿錨索補強支護，每排錨索2 根。對注漿錨索的受力進行監測，錨索受力曲線如圖4 所示。

圖4 注漿錨索超前支護示意圖

如圖4 所示，在測站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ超前支護段，在距離回采面約40 m 的范圍內時，受到采動的影響，使得Ⅰ號測站的1#和2#注漿錨索應力有所增大，兩者分別由64 kN 和82 kN 增長到69 kN 和89 kN。Ⅱ號測站的1#注漿錨索呈現穩定狀態，維持在70 kN，而2#注漿錨索的應力由76 kN 增長至78kN。Ⅲ測站的1#和2#注漿錨索應力幾乎不變，分別保持在70 kN和75 kN。對于Ⅳ號測站來說，在距回采面200～50 m的范圍時，1#和2#注漿錨索應力保持基本穩定，而在距回采面30 m 時，此時Ⅳ測站的1#和2#注漿錨索受力分別增大至81 kN 和92 kN，其中1#液壓枕的軸向載荷發生下降趨勢，這類現象是由于巷道表面的矸石受錨索與托盤的作用從而發生破碎，使得應力釋放導致。可以看出，注漿錨索受力一直處理安全的范圍內，受力最大值不超過100 kN，可以滿足礦井開采的需求，注漿錨索超前支撐方案可行。

3 結語

1）對不同錨索預應力下巷道垂直應力分布云圖進行分析，發現當預應力為150 kN 時錨索底端與頂端的壓應力形成貫穿，應力疊加效果好，巷道穩定性好。

2）對不同錨索間排距下巷道垂直應力分布云圖進行分析，確定最佳間排距為1 800 mm×900 mm，此時形成穩定的錨巖支護體承載結構，圍巖性質得到有效改善。

3）對模擬的最佳參數進行工業化實踐，注漿錨索受力一直處理安全的范圍內，受力最大值不超過100 kN，注漿支護方案可行。