深部煤巷穩定性錨網耦合支護一體化控制技術

丁良臣

摘 要：要維持巷道及支護體的穩定，必須保證支護體與圍巖的耦合，同時，在最佳支護時段內實施支護，此時的支護荷載為軟巖巷道最小支護荷載，即軟巖巷道耦合支護荷載。

關鍵詞：深部煤巷；穩定性；錨網耦合支護一體化

深部巷道穩定性問題是研究開挖后的圍巖工程地質系統與支護系統相互作用達到二次穩定的復雜力學問題。巷道開挖后，原有的三向應力平衡狀態被打破，變為雙向應力狀態，圍巖應力進行重新調整和分布，完整性較差的圍巖很快就會進入塑性、粘塑性和流變大變形階段，如果此時支護體和圍巖之間出現強度、剛度和結構上的不耦合，會加速圍巖的變形破壞，出現大面積的頂幫下沉、臌幫等現象。

考慮到錨固體和圍巖的機械作用，錨桿與圍巖的組合系統可以被分成兩個平衡體：一個是沒有錨桿支護的原始巖體，另一個是施加錨桿軸力作用的組合系統，實際錨桿的作用是兩個系統綜合作用的結果。

1 錨桿與圍巖耦合作用分析

傳統的組合拱設計觀點認為，巷道圍巖注入錨桿后所形成的組合拱厚度與錨桿的間排距、錨桿對巖體的控制角α有關（圖1），一般α取45°。根據數值模擬研究結果，α的取值及錨桿調動巖體的范圍應根據錨桿圍巖的耦合程度來確定。

由于巖體開挖，頂部巖體要向下移動、變形，下部巖體和上部巖體的變形大小是不同的，錨桿的存在，增大了巖體整體的剛度，使巖體的變形更加協調，下部巖體變形比上部巖體的變形要大的多，此時錨桿就處于一種受拉狀態，當錨桿頂端深入穩定巖體中時，錨桿對于下部巖體起著懸吊作用。

2 錨網與圍巖耦合作用機理分析

錨網和圍巖的耦合作用十分重要，過強或過弱的錨網支護，都會引起局部應力集中而造成巷道破壞。只有當錨網和圍巖強度、剛度達到耦合時，變形才能相互協調。達到耦合的標志是圍巖應力集中區在協調變形過程中，向低應力區轉移和擴散，從而達到最佳支護效果。

2.1圍巖集中應力區向低應力區的轉移現象

數值模擬研究結果表明，在巷道掘進初期，巷道圍巖頂部應力迅速集中，是巷道垮落危險區域；在實施錨網耦合支護后，頂部應力集中區迅速下降，而幫部低應力區應力狀態迅速提高，整個圍巖不同部位應力狀態趨于均勻化。由此可見，實施錨網耦合支護技術以后，圍巖支護狀態從開放環境到封閉力學環境，圍巖集中應力區向低應力區發生了轉移和擴散，整個應力擴散均勻化過程是通過錨網耦合設計自動實現。

2.2圍巖應力場和位移場的變化

隨著圍巖受力由集中應力區向低應力區轉化，錨桿受力趨于均勻化，圍巖的應力場和應變場趨于均勻化。

3深部巷道底臌控制技術

深部巷道由于受采掘擾動，引起圍巖的應力狀態發生變化，使頂板和兩幫巖體發生變形并向巷道內位移，底板巖體向巷道內位移發生底臌。強烈的底臌不僅帶來大量的維修工作，增加了維護費用，而且影響生產活動無法正常進行。深井煤巷的底臌問題一直是困擾煤礦生產中的重大難題。

3.1 深部煤巷的底臌特征

深部巷道的底臌主要表現為以下主要特征：

（1）底板巖體強度比較低。特別是當巷道底板節理裂隙比較發育、受到水和風化的影響，導致底板巖石向鄰空側的位移量大。

（2）深部煤巷對應力的變化比較敏感。在一定的地質生產條件下，巷道底臌可能表現得并不明顯。但隨著巷道埋深得增加或受到開采擾動后，應力達到一定值，底板巖石會大量向巷道內鼓出。從姚橋礦的煤巷底臌量最大達到1.5～2.0m，成為巷道支護中的難題。

（3）深部煤巷的底臌具有明顯的流變性。具體表現為底臌的初始速度大，之后逐漸趨緩并過渡到比較穩定的階段。底臌速度趨于穩定的時間比較長，而且在穩定狀態下，底板巖層仍以一定的速度向巷道內移動。當總的底臌量超過一定數值后，底臌數率還會再度增大。

4 深部煤巷的底臌控制技術

巷道底臌的控制技術很多，主要有底板卸壓、錨桿加固、封閉底板、底板注漿加固以及加強幫角等。針對深部煤層巷道的掘進和使用特點，采用三級控制底臌變形。采用錨網索耦合加固頂板，錨網耦合加固幫部，采用45°底角錨桿對底角進行加固，在理論上和實踐上都是較為可行的方法。

（1）一級控制：錨網索耦合加固頂板

深部煤層巷道的底臌多為上覆巖層的壓力通過兩幫傳遞到底板引起的。錨索關鍵部位耦合支護，將上覆不穩定巖層懸吊到深部穩定巖層，利用深部圍巖強度，減小傳遞到底板的上覆巖層壓力，從而避免或減輕底臌的發生。

（2）二級控制：錨網耦合加固幫部

錨網耦合支護控制巷道幫頂圍巖，形成自承能力較高的承載拱，以控制圍巖塑性區的發展。深部煤巷在高地應力作用下，兩幫壓力增加，煤體的破碎區域擴大。如果幫部在支護體強度、剛度和結構上與圍巖不耦合，就會出現巷道變形加劇，表層煤體破碎區域擴大，出現實際跨度增加，沿空側巷道會出現煤柱有效承載面積降低等現象。由此一方面導致加速下沉頂板，同時，由于煤柱的壓模作用，加劇底臌變形。

（3）三級控制：錨桿加固底角

根據底臌防治理論和現場試驗表明，在巷道的底部增設底角錨桿，可以有效地提高底板的穩定性，防止底臌的發生，實踐證明是可行、適用的方法。底角錨桿主要起到以下幾個方面的作用：

① 通過底角錨桿，在巷道角部形成自承能力較高的承載拱，可以減弱巷道底角部應力集中程度，以控制底角圍巖塑性區的發展。

② 提高巷道底角部圍巖的強度，減小兩幫的塑性變形。

③ 通過增打底角錨桿，可以有效切斷來自巷道兩側的高應力滑移線，消弱來自巷道兩側的擠壓應力，有效控制底板鼓出變形。

5總結

因此，軟巖巷道耦合支護參數就是巷道在支護體與圍巖耦合支護條件下，由軟巖巷道耦合支護荷載所確定的支護參數。軟巖巷道耦合支護參數包括初次耦合支護參數和二次耦合支護參數。

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