松動圈理論在近距離煤巷支護設計中的應用

馬來斌

（同煤集團技術中心，山西 大同 037003）

·技術經驗·

松動圈理論在近距離煤巷支護設計中的應用

馬來斌

（同煤集團技術中心，山西 大同 037003）

針對晉華宮礦14#層5705巷這一近距離煤巷支護困難的問題，利用鉆孔攝像儀對其松動圈分布情況進行了實測，分析研究了現有支護方案存在的問題。基于松動圈支護理論進行了設計，通過在巷道頂角施加角錨桿，減小作用在剪切面上的剪應力，增加剪切面上的正應力，抑制了頂角剪切破壞的出現，增強了支護的整體性。實踐結果表明，巷道開挖22 m后達到穩定狀態，兩幫收斂15．3 mm，頂板下沉量8．0 mm，沒有明顯的底鼓，取得了良好的支護效果。

近距離煤巷；松動圈支護理論；剪切破壞角錨桿

隨著礦井開采年限的不斷增加，大同礦區很多老礦井都進入了侏羅系14#層的開采，與其他層位相比，14#層與上覆12#層間距較近，受到采空區煤柱等的影響，14#層巷道壓力顯現十分明顯，支護難度較大。其中，四臺礦，在12#層煤柱的影響下，14#層8705工作面5705巷變形破壞嚴重，該巷道為矩形巷道，最大斷面寬4．5 m，高2．6 m，平均埋深226．3 m，煤層厚0．61～3．18 m，平均1．9 m，層間對照見圖1。

圖1 51705巷所在位置層間對照圖

巷道偽頂為粉砂巖，厚0．82 m，水平層理含植物化石；直接頂下層為中粗砂巖，厚度為3．43 m，灰白色，成分石英長石，塊狀結構，上層為細砂巖，厚度為4．64 m，灰白色，水平波狀層理，含煤屑及暗色礦物。直接底為黑灰色粉砂巖，厚度為2．94 m，分選較好，具水平層理。在集中應力作用下，5705巷頂板角部被壓碎，使頂板失去穩定的兩肩，加速了頂板的下沉變形，嚴重阻礙了煤礦的正常生產，而且造成重大安全隱患。

本文以5705巷為研究對象，利用鉆孔攝像儀對巷道兩幫、頂角、頂板等關鍵位置進行松動圈測試，獲得巷道圍巖松動圈厚度分布圖，基于松動圈支護理論對該類巷道進行支護設計，并在5707巷中加以應用，取得了良好的支護效果。

1 松動圈實測分析

巷道開挖后，圍巖由原來的三維受力狀態變化為二維受力，在失去第三主應力的作用下，當巷道周邊應力超過巖石的強度極限時，巷道表面圍巖率先破壞，使深部圍巖失去平衡而繼續破壞，并繼續向圍巖深部發展。將圍巖中產生的這種松弛破碎帶定名為圍巖松動圈，通常用LP表示［1，2］。圍巖松動圈是圍巖分類、判定巷道支護難度以及設計合理支護參數的基本依據，因此，為科學有效地評價5705巷的破壞狀態并對其進行合理的支護設計，首先進行巷道圍巖松動圈的測試是十分必要的，測試原理及所用儀器設備詳見文獻［3］。

選取巷道變形破壞較為嚴重的地段，對兩幫、頂角及頂板圍巖松動圈厚度進行測試，鉆孔布置見圖2，部分鉆孔測試結果見圖3，將各個鉆孔松動圈厚度值首尾相連，得到巷道松動圈厚度分布橫斷面圖，見圖2。

圖2 松動圈鉆孔及其厚度分布圖

由圖2可以看出，巷道松動圈厚度為0．979～1．377 m，其中頂板角部松動圈厚度最大，達到1．377 m，屬于第III類松動圈，兩幫松動圈厚度較小，為0．979～1．125 m。巷道頂角破壞后，原本兩端固結的頂板變成了鉸接，頂板中部變形破壞范圍加大。

2 巷道支護設計及應用

2．1 現用支護方案分析

圖3 部分鉆孔松動圈測試結果

現用支護方案采用錨網加錨索支護，錨桿為普通圓鋼錨桿，規格為L=1．7 m，d=18 mm，水泥托盤，錨桿排間距1 100 mm×1 500 mm。15．24 mm直徑錨索，采用11#工字鋼將3根錨索穿起來，形成桁架錨索，間排距1 500 mm×3 000 mm，頂底板均掛網。當14#與12#層間距較小時，采用11#工字鋼棚支護加強支護，棚間距為0．8 m，采用背板背幫背頂，支護效果不佳。

分析以上支護方案可以看出，現用支護方案存在以下問題：1）普通圓鋼錨桿強度較低，與數值藥卷的錨固性差，錨桿長度短，間排距較大。2）采用水泥托盤，塑性變形較大，錨桿預緊力很難施加。3）頂板、兩幫各自支護，未能將二者很好地結合起來，整體支護性差。

2．2 支護方案設計

考慮上述現用支護方案的不足，結合圍巖松動圈厚度實測結果，利用松動圈支護理論對與5705巷相鄰且即將進行掘進的5707巷進行支護設計。

根據松動圈支護理論，錨桿的長度為松動圈厚度、錨固長度和自由段三者之和，取錨固長度500 mm，自由段長100 mm，則錨桿長度取2．0 m，選取d20 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，經計算，錨桿的間排距為800 mm×800 mm；選用17．8 mm鋼絞線錨索，根據懸吊理論，其長度取5 000 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm。錨桿托盤選用120 mm×120 mm× 10 mm球形預應力托盤，錨桿用鋼帶鏈接在一起，增強支護的整體性。錨桿預緊力150 N·m，錨索預緊力10 t［1］。

由圖2可知，巷道頂角發生了嚴重的剪切破壞，因此，應該加強這部分的支護，在兩頂角各打1根角錨桿，其作用主要為：1）錨桿的軸向約束承擔了作用在頂板巖層上的部分載荷，從而減少了作用在頂板剪切面上的剪應力。2）錨桿桿體和錨固劑自身提供抗剪阻力。3）錨桿的預緊力增加了剪切面上的正應力，有利于抑制剪切破壞的出現。角錨桿采用500 mm長工字鋼作為托盤，排距1．0 m，其他參數同上。此外，兩幫最上面1根錨桿向上傾斜15°，頂板最外側的2根錨桿各向兩幫方向傾斜15°，詳細支護橫斷面見圖4。

圖4 支護橫斷面圖

2．3 工程應用

8707工作面為8705面比鄰工作面，其5707順槽與5705巷地質環境等各方面極其相似，因此，在該巷中對新設計的支護方案進行工程應用并評價，具有很強的科學性。為了對支護效果有更直接的評判，在巷道掘進過程中，利用十字布點法［4，5］對巷道表面位移的變化進行了實時監控，結果見圖5。

圖5 掘巷過程中圍巖表面位移變化圖

由圖5可知，巷道開挖22 m后基本保持穩定，兩幫收斂量為15．3 mm，頂板下沉8．0 mm，底鼓僅為3．3 mm，可以忽略不計，巷道頂角破壞的顯現得到了很好的控制，頂板巖層在兩幫穩定支持下保持穩定，巷道支護效果良好。

3 結 論

1）5705巷道松動圈厚度為0．979～1．377 m，其中頂板角部破壞最為嚴重，松動圈厚度達到1．377 m，屬于第III類松動圈，兩幫松動圈厚度較小，為0．979～1．125 m。

2）現用支護方案所用的普通圓鋼錨桿強度低，與數值藥卷的錨固性差，錨桿長度短，間排距較大；采用水泥托盤，塑性變形較大，錨桿預緊力很難施加；頂板、兩幫各自支護，未能將二者很好地結合起來，整體支護性差，致使支護效果較差。

3）采用松動圈支護理論，對5707巷進行了支護設計，在頂角施加角錨桿，通過錨桿的桿體和錨固劑承擔了作用在頂板巖層上的部分載荷，減小作用在剪切面上的剪應力，增加剪切面上的正應力，抑制了頂角剪切破壞的出現，增強了支護的整體性，取得了良好的支護效果。

［1］董方庭．巷道圍巖松動圈支護理論及應用技術［M］．北京：煤炭工業出版社，2001：1-2．

［2］許國安，靖洪文．煤礦巷道圍巖松動圈智能預測研究［J］．中國礦業大學學報，2005，34（2）：152-155．

［3］靖洪文，李元海，梁軍起，等．鉆孔攝像測試圍巖松動圈的機理與實踐［J］．中國礦業大學學報，2009，38（5）：645-649，669．

［4］周詩建，周華龍．礦山壓力觀測與控制［M］．重慶：重慶大學出版社，2010：57．

［5］竇林名，鄒喜正，曹勝根，等，煤礦圍巖控制與監測［M］．徐州：中國礦業大學出版社，2007：4-5．

Application on Loose Circle Theory in Support Parameters Design of Close Coal Roadway

Ma Lai-bin

To solve the difficult problem of 5705 close coal roadway support in No．14 layer of Jinhuagong coal mine，measure the relaxation zone of the central roadway by borehole camera technology，analyzes the problems of the existing support programs．Targeted design support parameters based on loose circle theory，corner bolt is applied in the roadway＇s apex angle，reduced the shear stress on the shear plane and increased its normal stress，strongly inhibit the shear failure of the apex angle，and enhance the integrity of the supporting．The results of engineering practice show that the roadway broaden reach steady state after excavate 22 m，and the convergence between two sides is15．3 mm，roof convergence is 8．0 mm and there is not obvious heaving floor and obtains the good support effects．

Close coal roadway；Loose circle supporting theory；Shear failure；Corner bolt

TD353

A

1672-0652（2013）07-0014-03

2013-04-05

馬來斌（1984—），男，山西大同人，2006年畢業于山西大同大學，助理工程師，主要從事礦井建設方面的研究與管理工作（E-mail）tmjt_mlb＠163．com