煤巷圍巖變形控制及支護研究

王武軍

摘要：根據對礦壓觀測及軟弱巖體的力學行為特征，分析了煤巷兩幫的主要破壞失穩形式，并探討了煤巷片幫類型錨網錨固機理，以及錨桿錨索聯合支護機理分析，提出了形成厚、 寬比大于薄板的錨固墻（或錨固塊）的錨桿支護觀點，并據此給出了錨桿錨索聯合支護方案及支護參數，數值模擬計算了U鋼支護的位移和塑性區量變程度，對比分析提出了煤巷提高支護強度的合理化建議。

關鍵詞：錨桿 錨網支護 數值模擬

0 引言

由于焦煤集團方莊一礦四級軌道前期受采動影響，礦壓顯現突出，造成巷道支架部分柱腿扭曲損壞，頂梁折損，上拱，巷寬收縮，水溝、臺階被擠毀，不同程度地出現了位移、變形、開裂、片幫、底臌等破壞現象，嚴重影響行人通車，危及安全和施工進度，雖經多次返修維護，但仍然難以保持穩定。為了尋求合理的支護方式，通過礦壓觀測分析，對巷道圍巖卸壓控制及數值模擬計算對比，并結合現場試驗，對該巷道提出合理化支護建議，以有效控制巷道斷面變形和支架穩定。

1 巷道兩幫的破壞形式及錨桿錨索支護

1.1 巷道兩幫破壞形式

由于四級軌道為煤巷，兩幫側壓較大，巷寬收縮變形嚴重，在礦山壓力作用下尚未徹底破壞，且與層理垂直的裂隙又較發育的煤體，被揭露后將失去橫向約束，其應力狀態也將處于雙向應力狀態。此時，煤壁受支承壓力的影響會發生壓裂式破壞，產生劈裂式片幫。支承壓力和裂隙的分布、煤體強度等都可能影響片幫深度。

1.2 破碎兩幫錨固結構支護原理

根據裂隙體及破碎體的巖性特征，破碎兩幫錨桿支護宜采用擠壓加固和整體錨固相結合的方式。即通過錨、網作用使兩幫中形成具有一定承載能力的擠壓加固墻。若將兩幫頂、底角的錨桿傾斜布置，使頂、幫錨固體及底板形成整體承載結構，還可減小兩幫位移，增強錨固體對深部巖體的約束作用。

1.3 錨桿錨索聯合支護機理分析

在深部大變形巷道中，巷道圍巖的變形破壞過程對錨桿的工作性能產生的影響最大。錨桿（索）提供的錨固力通過黏結劑作用在圍巖上，從而限制圍巖的移動變形。錨固方式的不同必然會影響荷載在錨桿中的傳遞機理，所以既不能離開圍巖和圍巖變形去分析研究錨固力和錨桿支護問題，也不能離開錨固力去分析研究圍巖變形問題。因此，對錨桿與圍巖相互作用關系進行深入研究，必須符合這一規律。

1.4 錨桿錨索支護方案的確定

巷道頂、幫的控制應遵循不同的支護原則：頂板控制應遵循使圍巖處于彈塑性穩定狀態的支護原則，兩幫控制應遵循使圍巖處于松動性穩定狀態的支護原則。巷道頂、幫的錨桿支護應依據不同錨桿的支護原理：頂板錨桿支護應依據組合梁理論和懸吊理論進行；兩幫錨桿支護宜采用擠壓加固和整體錨固以及噴射混凝土相結合的方式進行。從現場觀測到巷道頂板和兩幫煤體的淺部出現了拉應力，根據無拉應力準則判定，該區域最有可能的破壞方式是彎曲拉伸破壞。巷道角部的剪應力比較大，巷道角部圍巖最有可能的破壞方式是剪切破壞，可能會導致頂板剪切冒落。因此，頂角部錨桿宜采用傾斜布置。

支護方案為：錨桿、金屬網、鋼筋梁與錨索補強聯合支護。

2 U鋼棚支護效果數值模擬

2.1 模擬的目的

依據焦作集團方莊一礦煤巷地質條件，模擬在不同的形式下巷道圍巖的位移、應力分布及圍巖塑性區大小等情況，最終選擇出最佳的支護方式及其合理的支護參數。

2.2 模型構建

模擬的對象是在相同的地質條件下不同支護形式支護的巷道。巷道位于煤層中，用泥巖、砂質泥巖、中砂巖做頂板，砂質泥巖、中砂巖、粉砂巖和硅質泥巖等做底板。另外，為便于計算，數值模擬中的模擬對象宜選用最厚的巖層，同時把厚度較小但巖性相近的巖層劃為同一層。每種支護形式按煤層中間進行布置計算。

2.3 數值模擬結果及計算分析

從圖1可以看到，煤層中間布置時，最大底臌量250mm，頂板下沉量最大值178mm。這是因為煤層強度小于頂底板巖石的強度，布置在煤層中的巷道，頂底板性質均勻，位移量相差最小，由于強度較低，位移均達到了160mm以上，說明在此地質條件下，巷道位置對圍巖變形量影響較大，圍巖變形量最小；巷道圍巖位移大于50mm的范圍在頂板上方隨巷道的不同而發生明顯的變化，巷道在煤層中布置時50mm等值線距巷道頂板為7m，距巷幫的距離為10m左右，距巷道底板為3.2m，說明巷道頂板越堅硬，頂板上方深部圍巖出現大形的范圍的越小，而對巷幫和底板深部圍巖的位移影響不大，主要是因為巷道堅硬頂板的殘余強度較大，巖體雖然破碎，但是自承能力較強，因此頂板深部圍巖變形量較小

從圖2看出，在外扎腿U型棚支護后，有效控制了巷道附近及深部圍巖的位移量，表面最大位移在底板控制在90mm，頂板50mm左右，距底板以下超過6m的圍巖整體下移，位移量小于15mm，頂板深部圍巖上方高10m、寬7m的范圍內位移量約為50mm～70mm，超過此范圍位移量小于15mm，表明巷道圍巖的受力狀態因支護結構而發生改變，圍巖強度大大提高。

巷道圍巖塑性區大小是影響其穩定性的重要因素。塑性區是巷道在巷道開挖后，圍巖運移及應力重新分布的最終也是最直接的結果。無支護時，塑性區范圍頂底板大于兩幫；頂板的受拉單元范圍以此增大，與距巷道頂板相距約1m。安裝支護結構后能夠有效控制巷道塑性區擴張，且巷道頂板基本沒有受拉單元，這表明安裝的支護結構大大提高了圍巖強度，同時避免了巷道表面及深部圍巖向開挖空間的運移。

外扎腿U型棚支護時，巷道位于煤層中間，底板位移在95mm左右，頂板位移值42mm，巷道支護效果最好。同時支護巷道頂板及深部圍巖的受力均勻，應力集中系數較小，在同等條件下，這種支護方式塑性區范圍最小。

3 結論

通過對煤巷錨固理論研究和礦壓觀測實驗分析，以及對U鋼巷道無支護形式和外扎腿U鋼支護數值模擬計算得出以下結論：

①根據煤巷兩幫破壞形式和錨桿錨索支護機理分析，確定了煤巷錨桿錨索支護方案及支護參數，采用錨桿、金屬網、鋼筋梁與錨索補強聯合支護行之有效，對兩幫收縮嚴重區域松幫卸壓，同時采用確定的錨網支護方案，對圍巖變形控制起到了良好作用。

②通過U鋼支架對煤巷數值模擬，采用外扎腿U鋼支護能有效控制圍巖變形，數值計算結果表明，該支護形式合理。

③對于焦煤方莊一礦四級軌道嚴重變形巷道，圍巖破碎，單純的U鋼支護和錨網支護已不能滿足支護強度，宜采用上述較合理的錨桿錨索聯合支護+U型鋼支護，并進行噴漿，注漿加固。

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