受高水平構造應力影響的軟巖巷道支護技術研究

王子越孫維順湯 梁

（1.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013；2.鞍山市工業研究院，遼寧省鞍山市，114000；3.神華能源股份有限公司神東煤炭分公司寸草塔煤礦，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017209）

受高水平構造應力影響的軟巖巷道支護技術研究

王子越1孫維順2湯 梁3

（1.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013；2.鞍山市工業研究院，遼寧省鞍山市，114000；3.神華能源股份有限公司神東煤炭分公司寸草塔煤礦，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017209）

針對白皎煤礦2410巷道受高量值水平構造應力影響且圍巖極其軟弱的特點，對巷道變形特征進行了數值模擬研究。分析了裸巷開挖、低預緊力支護和高預緊力支護條件下巷道變形特征和塑性區分布情況，最終確定高預緊力強力錨桿索聯合支護方案。方案實施后，礦壓監測結果表明錨桿索預緊力較高時，巷道圍巖變形得到有效控制，錨桿索最終穩定工作載荷與初始預緊力相差不大。

軟巖巷道 巷道支護 錨桿索聯合支護 構造應力 高預緊力 礦壓監測

白皎煤礦地質構造復雜，煤系地層受燕山運動的擠壓作用，形成以逆斷層為主的斷裂構造，導致水平應力較高。2410巷道在四煤層底板之中掘進，巷道穿過多層不同巖性巖石掘進，巖層強度低、松散破碎、遇水泥化膨脹。2410巷道為典型的高水平構造應力影響的軟巖巷道，支護難度較大。

由于巷道穿過多巖層掘進且掘進范圍內有多個斷層，巷道圍巖完整性差，再加之高水平構造應力影響，在四煤層底板之中掘進的巷道大多存在穩定時間短、巷道變形嚴重、需多次返修的問題，巷道安全不能保證。致使巷道掘進時間長、采掘接續緊張，且巷道往往需要多次返修，導致大量人力物力損耗，給礦井安全高效生產帶來極大隱患。本文對該條件下巷道圍巖變形特征、控制難點和支護對策進行研究。

1　工程概況及技術支護難點

1.1工程概況

2410巷道埋深為546.2～664.7 m，為全巖巷道，所穿巖層為砂巖、粘土巖、頁巖、煤線等。為確定底板巷道圍巖中膨脹性礦物的種類和含量，在2410巷道掘進50 m后取巖樣，對巷道圍巖礦物組分進行檢測，結果如表1所示。

表1　2 4 1 0巷道礦物全巖成分分析%

從分析結果可以看出，四煤層底板巖體中黏土礦物占到64.7%～77.8%，平均69.8%，其種類主要為遇水易膨脹的伊蒙混層和高嶺石，還有遇水易泥化的綠泥石類，其導致了圍巖易發生泥化膨脹。

通過水壓致裂法對白皎礦地應力場進行測量。白皎礦垂直應力為10.74 MPa，南北方向水平應力17.25 MPa，是自重應力的1.7倍；沿東西方向水平應力達到28.7 MPa，是自重應力的2.8倍。礦區應力場為以水平應力為主的構造應力場。

1.2支護難點

（1）2410巷道底板巖層巖性主要是泥巖和粘土巖，強度低，普氏硬度系數0.3～1.5，遇水軟化明顯，軟化系數為0.27～0.35，彈性模量不高。粘土巖和泥巖中高嶺石含量高達13%～26%，伊蒙混層含量達7%～27%，高嶺石具有強流變性，伊蒙混層具有強膨脹性，巖層屬于典型的膨脹性軟巖。

（2）巷道地質條件復雜，埋深大，地應力量值較高，且以水平應力為主，水平應力是自重應力的1.7～2.8倍，這也是導致巷道難以支護的主要原因之一。

2　巷道變形機理數值模擬

為了揭示巷道破壞機理，為巷道支護設計提供依據，采用有限差分數值計算軟件FLAC3D進行數值模擬分析，模型參數基于地質力學測試結果。共進行3種方案數值模擬計算:裸巷開挖無支護數值模擬、低預緊力支護數值模擬和高預緊力支護數值模擬。

2.1無支護巷道的變形破壞特征

無支護狀態下，巷道兩幫移近量為800 mm，底鼓量達600 mm，頂板下沉量達400 mm，巷道變形量較大。數值模擬計算結果與底板巷道實際變形特征一致，說明模型力學參數、本構模型、計算步驟選擇合理。無支護狀態下，巷道塑性區范圍較大，主要為拉伸破壞區和剪切破壞區，拉伸破壞區分布于巷道頂板圍巖，剪切破壞區主要分布于巷道底部和兩幫。根據無支護巷道變形模擬結果，巷道變形特征為在高水平構造應力和膨脹性軟巖的影響下發生底鼓，進而導致兩幫失穩和頂板下沉，因此應重點加強底板和兩幫支護。

2.2低預緊力支護巷道的變形破壞特征

低預緊力支護狀態下，兩幫移近量為500 mm，底鼓量250 mm，頂板下沉量200 mm，與不支護相比，巷道變形得到一定控制，但變形量仍然較大。巷道圍巖塑性區范圍沒有明顯變化，支護效果不理想，不能充分發揮錨桿索的主動支護作用。

2.3高預緊力支護巷道的變形破壞特征

設置錨桿預緊力為50 k N，錨索預緊力為200 k N進行模擬。在高預緊力支護狀態下，巷道兩幫移近量為140 mm，僅為不支護狀態下的17.5%；底鼓量為90 mm，頂板下沉量為70 mm，與不支護相比分別下降85%和82.5%，支護效果較為理想，巷道變形得到有效控制。

高預緊力支護條件下巷道塑性區主要為拉伸破壞區和剪切破壞區，拉伸破壞區主要分布于巷道頂部圍巖，剪切破壞區分布在巷道底部和兩幫。高預緊力支護狀態下，巷道塑性區范圍明顯縮小。

模擬結果表明，采用高預緊力支護方案后，支護效果明顯，巷道圍巖變形可以得到有效控制。

3　支護對策分析

根據數值模擬結果，結合高水平構造應力影響軟巖巷道變形特征，基于高預緊力強力支護理論，依據高預緊力和預緊力擴散原則和高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則，提出如下支護對策:

（1）加強幫部支護。由于圍巖疏松破碎，炮掘成巷后，巷道表面凹凸不平，錨桿托盤難以緊貼巖壁。因此，應采用W鋼護板配合拱形托盤作為錨桿支護護表構件，以擴大護表面積，同時將后部巖體壓實，提高預緊力擴散效果。

（2）采用高強度錨桿錨索支護。根據鄰近巷道支護經驗，后期巷道變形較大時，會發生錨桿索破斷現象，因此，應采用強度和剛度較高的錨桿索進行支護，同時配合拱形托盤和調心球墊，避免錨桿索尾部受剪，發生剪切破壞。

（3）提高預緊力施加水平。數值模擬結果表明，預緊力是決定巷道支護效果的重要因素，因此，錨桿預緊力矩不能低于400 N·m，錨索應張拉到300 k N以上，并加強施工質量監測，確保錨桿索預緊到位。同時加長錨桿、錨索錨固段長度，保證錨固力與錨桿錨索強度相匹配。

（4）由于圍巖易風化崩解，巷道開挖支護完畢后要及時噴漿封閉圍巖。

4　支護方案

根據支護對策，確定高預緊力錨桿索聯合支護方案。2410巷道斷面為直墻半圓拱形，高度3500 mm，寬度3800 mm。頂板、幫部錨桿采用規格為?22 mm×2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼，桿體鋼號為BHRB500，配備承載能力不低于260 k N的規格為150 mm×150 mm×10 mm拱型高強度托板和規格為450 mm×280 mm×4 mm W鋼護板作為錨桿護表構件，錨桿間排距為900 mm× 1000 mm，錨桿預緊扭矩大于400 N·m。

頂板采用1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線錨索，規格為?22 mm×5300 mm，每排3根，間距1200 mm；幫部采用規格為?22 mm×3300 mm錨索，每排2根，間距1100 mm，錨索尾部采用配套的高強度鎖具，托板規格為300 mm× 300 mm×16 mm高強度拱形大托板，托板承載力與錨索索體相匹配，錨索初始預緊力大于300 k N。2410巷道斷面支護參數見圖1。

圖1　2410巷道斷面支護參數

5　巷道支護效果分析

5.1巷道表面位移監測

在2410巷道布置表面位移測站，經過10 d連續監測，監測結果顯示巷道兩幫移近量僅為3 mm，頂板下沉量僅為4 mm，且變形不再發展。巷道表面位移較小，圍巖變形得到有效控制，支護效果較好。

5.2錨桿索受力監測

2410巷道掘進200 m后，布置測站對錨桿、錨索受力進行監測，錨桿、錨索測力計編號見圖1。1*～9*錨桿預緊力分別為29.9 k N、56.4 k N、41 k N、31.2 k N、67.6 k N、101.6 k N、55.3 k N、60.3 k N、49.6 k N，均值為55.8 k N，最高達到101.6 k N，預緊力水平較高。經過10 d連續監測，預緊力水平較高的2*、3*、5*、6*、7*、8*、9*錨桿的工作阻力與預緊力相比基本沒有上升，說明預緊力數值較高時，支護系統剛度較大，支護范圍內圍巖穩定；1*、4*錨桿預緊力水平較低，工作阻力與預緊力相比有較大上升。全部錨桿工作阻力趨于穩定，說明錨桿支護范圍內圍巖穩定，不再發生變形。

對錨索受力監測結果進行分析，1#～5#錨索預緊力分別為121 k N、139.4 k N、164.1 k N、153.1 k N、140.3 k N，均值為144 k N，最高達到164.1 k N，預緊力水平較高。經過10 d連續監測，錨索的工作阻力與預緊力相比變化不大，說明預緊力數值較高時，支護系統剛度較大，支護范圍內圍巖穩定，不再發生變形。

6　結論

（1）白皎煤礦地質條件復雜，埋深大，水平構造應力高，煤系地層巖性主要是砂質泥巖和粘土巖，黏土礦物含量較高，遇水易泥化。煤系底板巖巷屬于高構造應力影響軟巖巷道，支護難度較大。

（2）2410巷道變形破壞的主要特征為底鼓明顯。2410巷受膨脹性圍巖和較高水平構造應力影響，底鼓嚴重，同時導致兩幫破壞，頂板下沉，因此應加強底板兩幫支護，同時及時噴漿封閉巷道。

（3）2410巷道表面位移監測及錨桿、錨索受力監測數據說明采用高預緊力強力錨桿錨索支護方案后，巷道穩定，圍巖變形得到有效控制。實踐證明高預緊力強力錨桿錨索支護可以有效解決高水平構造應力影響軟巖巷道支護難題。

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（責任編輯 張毅玲）

Research on supporting technology of soft rock roadway affected by high horizontal tectonic stress

Wang Ziyue，Sun Weishun，Tang Liang
（1.Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.Anshan Industrial Research Institute，Anshan，Liaoning 114000，China；3.Cuncaota Coal Mine，Shendong Branch of Shenhua Energy Co.，Ltd.，Erdos，Inner Mongolia 017209，China）

The 2410 roadway of Baijiao Coal Mine was affected by high horizontal tectonic stress and extremely weak surrounding rock，aiming at these geological mechanics features，the deformation characteristics of roadway was researched with numerical simulation.The deformation characteristics of roadway and the distribution features of plastic zones were analyzed with three supporting modes，no supporting，low pre-tightening supporting and high pre-tightening supporting，then the high strength bolt-cable combined supporting method with high pre-tightening force was selected.Practice and rock pressure monitoring results showed that the surrounding rock deformation was effectively controlled when the pre-tightening force was relatively high，and finally the stable working resistance of anchor bolt and cable was nearly equal with the initial pre-tightening force.

soft rock roadway，roadway supporting，bolt-cable combined supporting，tectonic stress，high pre-tightening force，rock pressure monitoring

TD353

A

王子越（1988-），男，山東濱州人，主要從事巷道支護技術研究工作。