協同控制支護下巷道圍巖穩定性研究

摘要：為了解決21160運輸巷煤幫應力集中問題，分析了動靜載荷作用下煤幫受力特征，采用協同控制方案，反復致裂形成弱結構體積區域釋放彈性能，深度梯次支護及錨桿錨索聯合支護提高圍巖抵抗變形的能力，工程應用結果顯示錨桿錨索受力及圍巖變形均在合理范圍，卸壓條件下維持了巷道的穩定性。

關鍵詞：應力集中；動靜載荷；協同控制方案；圍巖變形采動應力及構造應力是造成煤巖巷道應力集中的主要原因，彈性能的瞬間釋放最終造成圍巖失穩破壞，嚴重情況下損壞設備，甚至引起煤粉及瓦斯的爆炸，威脅工作人員的生命安全［1］。截至目前，沖擊地壓依舊是影響安全生產的重要因素之一。根據已有研究，當沖擊地壓積聚能量大于105 J時，巷道圍巖失穩破壞。目前主流錨桿錨索支護體系最多可抵抗104 J能量破壞，因此鉆孔卸壓、水力壓裂等方法成為治理沖擊地壓的主流方法［24］。然而，不合理的治理方案往往造成卸壓力度小、卸壓位置偏差，甚至造成巷道強度急劇下降，導致支護系統失效一系列問題［58］。因此，有效釋放壓力、維護巷道穩定成為治理的核心。本文探索了協同控制支護方案的可行性，取得了良好的應用效果，維護了巷道的穩定性。

1工程概況

礦井主采5#煤層，宏觀煤巖類型界限清晰，質地較堅硬，典型碎裂結構煤，節理發育好。煤層平均厚度3.6 m，平均傾角3.5°。區域開采平面上，煤層厚度均勻，整體可采。開采煤層頂板（直接頂和老頂）為軟弱泥巖，底板（直接底）為矸石與炭質泥巖互層，遇水易發生膨脹。

目前回采工作面21160，西側與采區皮帶巷、采區運輸巷、采區回風巷相鄰，東側與南側為采區邊界，北側為21150采空區。開采工作面直接頂和老頂厚度44.2 m，上覆細砂巖及礫巖厚度452.36 m，在地應力及采動應力疊合影響下，巷道局部應力高度集中，煤體彈性能積聚釋放產生沖擊破壞。因此，本文以21160運輸巷為研究對象，探討有效支護方案，旨在預防巷道沖擊地壓的發生。

2協同控制支護方案

2.1圍巖破壞機理

巷道掘進以及開采過程中，擾動造成圍巖原巖應力的改變。擾動影響下，巷道圍巖受力不均，進而造成應力分布的差異性，此部分應力稱為動態載荷。動載影響因素眾多，不僅受開采工藝的影響，巖層斷裂以及斷層的存在同樣影響動載分布。21160運輸巷無斷層存在，因此人為擾動是動載的主要來源。同時，在直井開采方式下，巷道埋深所處的上覆巖層重力造成靜態載荷，靜載主要受開采深度的影響，埋深越大，上覆巖層自重應力越大，靜載值也越高。動載和靜載的綜合是巷道圍巖的受力值，當載荷值大于支護強度，則巷道失穩破壞。根據已有研究基礎，靜載值可預測，動載值無法有效預測，因此，動載是誘發巷道圍巖失穩、發生沖擊破壞的主因。

根據上覆巖層重力特征以及開采擾動下的超前支承壓力理論，動靜載應力逐漸傳遞至巷道兩側煤幫處，且受力特征相似。在巷道開挖后，應力釋放，支護作用下運輸巷圍巖受力降低，造成了兩幫處于應力高值區范圍的現象。理論上，煤幫提供的支撐力大于動靜載荷值時，巷道圍巖處于穩定狀態。但是在實際生產中，煤幫兩側支護過程中積聚的彈性能如若不能有效釋放，將造成沖擊地壓的發生。因此，需要人為干預設置弱結構，降低兩幫彈性能，轉移應力集中區域。

理論上，人工造縫可釋放彈性能，破壞巖體完整性。弱結構面雖然造成了巖體抵抗變形的能力降低，但是在支護作用下，巖體抗壓強度重新增強，承載能力滿足生產需求即可。因此，在制造弱結構面時，需要確保巖體整體完整，人工裂縫適度擴張，在加固支護作用下，彈性能釋放與塑性能累計達到平衡，圍巖整體趨于穩定。

2.2支護方案設計

基于圍巖破壞機理，對21160運輸巷進行支護方案設計，支護斷面示意如圖1所示，不同于傳統巷道支護設計，運輸巷支護實現了支護結構與弱結構釋放能量的協同控制，具體支護設計如下：

（1） 頂板采用錨桿錨索聯合支護，長錨索、短錨索、錨桿深度梯次支護，確保了堅硬頂板和軟弱頂板的固層，減少離層現象發生的同時，增強了上覆巖層的整體強度。頂板長錨索直徑21.6 mm，長度8 200 mm，間距2 500 mm，排距1 600 mm；短錨索直徑21.6 mm，長度5 300 mm，間距1 500 mm，排距1 600 mm；錨桿直徑22 mm，長度2 400 mm，間距1 800 mm，排距800 mm。靠近巷道兩幫錨桿與頂板呈15°安設。

（2） 兩幫鋼管位置首先需要反復鉆孔施工，確保弱結構體積區域的形成，隨后通過鋼管支撐護壁，確保弱結構體積區域不坍塌閉合。幫部錨桿與頂板錨桿尺寸一樣，間距1 000 mm，排距1 600 mm，靠近巷道頂板和底板錨桿與巷道兩幫呈15°安設。兩幫錨索與頂板短錨索尺寸一樣，錨索的作用是有效串聯弱結構體，確保垂直層理方向巖層一體化。

（3） 巷道采用左旋螺紋高強錨桿，讓壓錨索，為了更有效發揮協同控制作用，采用液壓抬棚對頂底板進行有效支撐，防止底鼓現象發生改變巖層受力特征，影響應力分布區域。根據生產經驗，液壓抬棚一般安裝在靠近支架的位置，且預應力應足夠大。

值得注意的是，弱結構體積區域施工是反復致裂的結果，鉆孔深度需保證15～20 m，現場施工中應該進行實時鉆孔觀測，一般而言，反復致裂2～3次往往可達到預期結果。

3應用效果

根據協同控制支護方案施工，對巷道頂板及兩幫錨桿錨索進行受力監測，其中頂板錨索通過測力計監測短錨索受力。統計30天內監測數據，繪制得到圖2所示的結果，從圖中可以看出，頂板錨索和錨桿應力變化特征一致，監測前5天迅速增加，5～30天趨于穩定。頂板錨桿5天時應力10.23 MPa，30天時應力13.00 MPa；頂板錨索5天時應力11.23 MPa，30天時應力13.56 MPa。對于兩幫錨桿及錨索而言，整體變化趨勢一致，變化范圍小。兩幫錨桿最大應力6.59 MPa，兩幫錨索最大應力3.46 MPa。錨桿錨索受力整體在合理范圍內，未發現斷裂現象。

采用十字布點法對巷道圍巖變形進行監測，頂板下沉量在0～10天內迅速增加，變形量增加53.23 mm，隨后變形量逐漸穩定，最大變形量55.12 mm；兩幫位移量采用均值法處理數據繪制所得，同樣0～10天內變形量逐漸增加，增幅38.26 mm，隨后趨于穩定，最終穩定在40.32 mm。

礦壓監測結果顯示，圍巖變形以及錨桿錨索受力均在合理范圍內，整體支護效果良好，明顯改善了圍巖變形特征，有效達到了卸壓目的，巷道處于穩定狀態。

4結論

通過研究協同控制支護方案下巷道圍巖穩定性特征，得到以下主要結論：

（1） 動靜載荷作用下，巷道兩側煤幫應力集中現象明顯，可人工造縫形成弱結構體積區域，釋放彈性能，達到彈性能和塑性能的平衡狀態，使巷道處于穩定。

（2） 采用協同控制支護方案，頂板長錨索、短錨索、錨桿深度梯次支護，兩幫反復致裂后錨桿錨索聯合支護，然后配備鋼管支撐護壁，同時，液壓抬棚可提供足夠支撐力。

（3） 工程應用結果顯示，巷道頂板錨桿最大應力13.00 MPa，頂板錨索最大應力13.56 MPa，兩幫錨桿最大應力6.59 MPa，兩幫錨索最大應力3.46 MPa，均在合理范圍內。圍巖變形得到有效控制，卸壓目的達成，巷道穩定性強。

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