深部巷道錨桿支護失效機制及支護對策分析

蔡迎超

（山西焦煤集團霍州煤電集團有限公司呂梁山公司方山木瓜煤礦，山西 呂梁 033199）

0 引言

由于煤炭在我國有著悠久的開采歷史，賦存條件和地質狀況較好的煤炭資源已近消耗殆盡，并且國民經濟對能源需求急劇增加，導致開采深度越來越大。隨著埋深的增加，巷道的掘進和支護將面臨越來越嚴峻的問題，埋深大的巖石更為軟弱破碎，導致巷道圍巖難以自穩，支護系統承擔更大的壓力，巷道具有更大的形變，支護難度增加。目前，深部巷道占我國巷道綜掘進量的29%左右，這類巷道的返修率高達70%[1]，給煤礦采掘造成大量的人力、物力消耗，是目前迫切需要解決的問題。

1 深部巷道礦壓顯現特征及圍巖變形破壞分析

與淺部巷道相比，深部巷道的礦壓顯現特征表現為：①深井巷道變形量一般都能達到甚至超過500mm，巷道圍巖破裂區也比較大，通常為4m以上，塑性區的寬度有時候能達到10m以上；②在深部由于巷道圍巖變形周期更長，導致巷道支護與維護時間更長；③深部巷道的各向異性、構造的復雜性以及應力的不均勻分布，使巷道的變形呈現更大的不確定性和不規則；④巷道支護通常只是對頂板和兩幫的支護，而底板處于未支護狀態，不利于承壓拱的形成，也不利于提高圍巖的自承能力，深部巷道常出現底鼓形式的變形，底鼓在頂底板移進量中占三分子二以上。

開挖導致巷道周圍巖石內的應力在淺部不均勻分布，出現應力集中區[2]。若集中區的應力超過巖石強度，則巷道圍巖就會破碎，形成通常所說的塑性區松動圈，如圖1所示。

切向應力是在巷道斷面較大時影響圍巖穩定性的關鍵性因素，以往經驗表明，當巷道圍巖所受應力大于其單軸抗壓強度時，就很可能會發生破斷失穩。切向應力由原始應力轉化得來，成正相關，而原始應力又與埋深有著密切的聯系。

圖1 巷道周邊巖體內的應力分布情況

隨著巷道掘出時間的增加，塑形區逐漸向周圍巖體內部擴展，圍巖的位移變形也在進一步增加。當巷道圍巖變形過大時就會威脅到巖體原本的自穩結構，使周圍巖體作用于支護結構上的擠壓力增加，在支護體的作用下圍巖又重新趨于穩定。但是當支護結構與圍巖作用的周期及其變形不相適應時，圍巖松動圈擴大導致支護體遭到破壞，巷道發生冒頂、片幫等事故。

圖2 巷道圍巖穩定性隨時間變化的關系

2 深部錨桿支護巷道破壞形式及錨桿失效原因分析

2.1 深部錨桿支護巷道破壞形式

實踐工程中，深部錨桿支護巷道的破壞形式常表現為：

1）在巷道頂板巖石比較破碎的情況下，錨桿不能有效的加固巷道頂板淺部的破碎圍巖，錨桿端部附近的巖石發生小范圍冒落，從而形成小的冒落拱，如圖3（a）、3（b）所示。

2）對于頂板巖層離層嚴重，錨固體形成復合形式或鑲嵌型結構的離層性巷道頂板，錨桿的失效會使頂板大范圍整體性垮落，如圖3（d）所示。

3）當巷道兩幫煤巖體的力學性質比較低，整體性不強時，巷道發生破壞如圖 3（c）、3（e）、3（f）所示。

圖3 深部錨桿支護巷道常見破壞形式

2.2 錨桿支護失效原因分析

根據上述常見的深部錨桿支護巷道的破壞形式，總結錨桿支護失效的原因包括：

1）錨桿各種參數的選擇和設計不符合實際。當錨桿的設計強度不足時，就不能使巷道圍巖及支護系統形成穩定的承載結構，巷道的變形得不到有效控制，就會影響煤礦的正常生產。但是過于要求錨桿的安全性能，也會使支護成本大大增加。

2）錨固失效。當上覆巖層中發育有較多的結構弱面時，巷道頂板上部圍巖將發生錯動等局部破壞，導致錨固巖層中錨桿的錨固力急劇減小，引起錨固失效，最終可能導致巷道大范圍冒頂。

3）粘結失效。錨桿通過錨固劑與圍巖聯結為一個整體，如果粘結材料與錨桿桿體之間發生了相對滑移錯動，錨桿就會喪失加固圍巖的作用，即發生粘結破壞。錨桿錨固力的大小由粘結材料與錨桿間的粘錨力決定，試驗得出不同材質錨桿與常見煤層伴生巖體的錨固力見表1。

表1 不同材質錨桿與常見煤層伴生巖體的錨固力

由表1的試驗數據可以看出，不同形式的錨桿與不同圍巖之間錨固力的大小不盡相同，因此當進行巷道支護的錨桿、錨索錨固段長度參數設計時，應充分考慮圍巖的力學性質，選擇合理的錨桿材質來實現足夠的錨固力，通過控制錨固力的大小來提高錨桿的支護性能[3]。

4）托盤失效。錨桿安裝時通過托盤施加一定的預應力，改變巖體的受力狀態，將圍巖更好的聯結為一個承載體，充分發揮錨桿的作用，如果托盤安裝不合理，會嚴重影響錨桿的支護效果[4]。有無托盤對應錨桿的軸力與剪力如圖4所示。

圖4 有無托盤對應錨桿的軸力與剪力圖

3 深部巷道錨桿支護原則及對策

為了有效控制深部巷道圍巖的變形與破壞，在進行錨桿支護設計及施工過程應遵循以下原則：①及時支護原則，即巷道支護要緊跟掘進作業，及時對巷道進行有效支護，使圍巖充分發揮其自承載作用；②主動支護原則，即對深部巷道支護主要采用高強度錨桿（索），利用錨桿（索）的主動支護作用將圍巖固化為一個整體，從而提高圍巖的自承載能力；③有效支護原則，即嚴格保證巷道支護工程質量，確保錨桿（索）支護后能達到設計的錨固力與預緊力，對于失效的錨桿（索）要及時進行補打，確保整個支護體系始終處于良好狀態；④動態支護原則，即根據巷道工程地質條件合理進行巷道支護參數設計，巷道支護設計是一個動態的過程，并不是一次完成，因此需加強巷道圍巖變形等礦壓觀測，及時收集礦壓數據，并對所提出的支護參數進行對比優化，實現巷道圍巖有效控制；⑤可靠支護原則，即錨桿（索）等支護材料選擇合理，錨桿（索）長度、直徑、間排距等支護參數可靠，一次成巷支護質量高，降低巷道返修率。

在遵循上述原則的基礎上，實現深部巷道圍巖安全穩定的支護對策是[5]：

1）首先利用高強度錨桿（索）+金屬網的聯合支護方式對巷道圍巖進行及時主動支護，將巷道表面圍巖固化，從而促進巷道圍巖充分發揮其自承載作用。大量成功的工程實踐經驗及理論研究表明，隨著巷道轉向深部，對支護體系的要求越高，提高錨桿（索）支護強度勢在必行。

2）深部巷道支護采用高強度、高預應力錨桿（索）+金屬網進行，尤其提高巷道頂板的支護強度，防止頂板離層及垮落現象的發生。

3）同時應加強巷道兩幫的支護強度，同樣采用高強度、高預應力錨桿（索）進行支護，以減小巷道兩幫的位移量。

4）通過在巷道幫角處增加底角錨桿（索）以減小巷道底鼓變形。

5）增強錨桿（索）的錨固力、預緊力，使巷道支護體系的強度得到提高，對應圍巖自承結構強度及穩定性更好。

6）對巷道進行動態礦壓觀測，當巷道圍巖所處地質條件發生變化、掘進施工工藝發生改變及圍巖出現大的變形時，需及時對巷道支護參數進行調整。尤其在地質構造帶、圍巖變形破碎嚴重區域，需要改變支護參數并進行補強支護，以保證巷道掘進施工的安全進行。

4 結語

淺部巷道的支護大多以圍巖松動圈為基礎，用錨桿、錨索等常規支護手段增加松動圈的穩定性。而深部圍巖由于地應力大大高于淺部巷道，巖體表現出很大的流變性，圍巖可能出現多種變形破壞方式，使得巷道支護面臨著更加艱巨的挑戰。因此，在選擇巷道支護形式以及確定各個支護參數時，就應更加小心謹慎，選擇合理的支護形式，達到深部惡劣圍巖條件下巷道變形控制的要求。