采動壓力影響下掘進巷道支護技術

（內蒙古鄂爾多斯市煤礦設計院，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

目前由于礦藏的開采條件日益復雜，支護技術方案的設計難度也在不斷加大，深層開采和高作業強度導致采動壓力、地應力和相應的圍巖應力場變化的復雜程度都在不斷地提升。因此，對于采動壓力影響下的掘進巷道支護技術的研究越發引起了人們的重視。

一、采動壓力對掘進巷道圍巖影響

在巷道開拓或回采的過程中，巷道圍巖所受到的三向平衡應力隨著工作面的推進而受到擾動，原本與巷道內壁形成穩定應力作用關系的礦層被破壞，從而使圍巖內部形成壓應力。而由于目前開采深度和開采強度的增加，這種壓應力的水平對巖體自身的強度來說越來越大，形成巖體受壓破碎、受剪離層和受拉斷裂等現象，破壞了圍巖的整體性并降低了圍巖的強度，引起部分巖體的約束力失效并脫落，使圍巖整體結構失去了穩定性。

因此，采動壓力對圍巖結構的穩定性和完整性的影響是企業生產中需要面對的重要課題。當采掘活動開始后，處于地下深處的圍巖會因采空區的形成而受到擾動，原本已經達到平衡的內部應力不可避免被破壞，從而引發巖體內部應力場的重新分布。在應力場形成新的平衡的過程中，巷道頂板、底板以及兩幫都會因應力作用出現不同程度和循序漸進的彈性變形、塑性變形直至巖層破裂。體現為巷道的兩幫向內側收斂、頂板下沉以及底鼓現象，并且破裂與松散的巖體會出現剝落，造成巷道截面積變小與巷道的不規則變形，對采掘活動的安全形成很大威脅。

二、采動壓力下掘進巷道支護技術方案設計

（一）掘進巷道支護方案初步設計

對受到采動壓力影響的掘進巷道進行支護設計，首先需要研究掘進巷道所在位置的圍巖巖性、礦層分部、水文地質環境以及既有的支護狀況等，根據已有的支護設計經驗初步確定支護方案。

確認支護所用的錨桿與錨索的種類、數量、具體的安裝位置以及輔助支護構件的選擇，并且對巷道保護煤柱的預留位置和預留寬度進行規劃，盡量利用煤柱的預留形成對巷道頂板的支撐，并減少掘進巷道兩側與底板因采動壓力而出現向巷道內側的位移，降低巷道邊幫的支護設計難度和支護強度。而煤柱的預留寬度既要滿足支護需要，也要避免寬度參數設計過于保守。

（二）設計參數的計算及優化

由于錨桿與錨索支護理論研究的進步與計算機技術的應用，讓優化采動壓力影響下的掘進巷道支護設計，并得到最佳支護效果與經濟性成為了可能。首先，依據較為成熟的理論依據和巷道的幾何參數對錨桿與錨索的長度、直徑和強度等設計參數進行計算和校核，并且根據工程的類比計算所需的支護密度、錨桿與錨索的排距以及間距等。

其次，可以運用計算機軟件模擬采動壓力下巷道不同部位的巖體內部應力場的變化，找到應力隨工作面推進的變化和應力分布規律，并且在不同的預留寬度條件下模擬分析煤柱的內部應力情況，從而進一步優化錨桿、錨索以及預留保護煤柱的支護設計參數，合理的布置錨桿與錨索的間距、排距以及精確的選擇支護強度。

（三）支護施工工藝對支護效果的影響

基于主動預防巷道圍巖變形和破壞形成的支護系統，其支護效果的形成需要有嚴格的施工工藝控制來保證。首先，錨桿與錨索的安裝需要精確的控制粘結劑的攪拌與固化時間，才能夠按照設計形成支護系統與圍巖的整體性，達到共同承載采動壓力的效果。其次，錨桿與錨索的安裝角度、深度以及預緊力的施加也必須控制在一定的誤差范圍，否則支護系統無法形成預期的有效支護范圍。

三、案例分析

（一）巷道情況概述

5208工作面位于xx斜井煤礦+403m水平，二采區，東為采區巷道及東翼采空區，西為三采區保護煤柱，北為5206工作面，南為5210工作面，兩工作面都處于回采過程中。地面標高為+652.2～+717.7m，工作面標高為+424～+442m。地表廣為黃土覆蓋，多為溝谷地帶，梯形狀農田，沖溝較發育，無建筑物。

（二）新支護選擇

1.應力是控制圍巖早期變形和離層的重要參數。安裝應力過小會使圍巖發生過大的早期變形和頂板離層，松散破碎圈增大，引起頂板破碎掉落，使錨桿失效。同時在巷道開掘后要及時進行支護，減少圍巖暴露時間，以達到及時主動支護的目的。

2.合理支護范圍強度。由于受相鄰回采工作面的影響，壓力比常規情況下大，且由于圍巖破碎，在保證錨桿安裝應力的前提下，合理的錨桿長度和強度能夠穩定地控制巷道圍巖的變形。

（三）支護效果

1.鉆孔窺視－確定圍巖的結構及錨桿長度選擇的的合理性。

在巷道掘進一段時間后，對進風巷道進行鉆孔窺視試驗。從試驗的結果來看，在0～1.8m之間的圍巖出現明顯的小裂隙，說明4t以上的預應力，在現階段能夠控制塑性破壞區的擴散，同時也證明錨桿的長度的選擇是合理的。在3～4.8m之間發現煤層，經過分析應該是4#煤，且含有夾矸。4.8～5.4m之間是4#煤層偽頂為粉砂巖。5.4～8m之間巖性發生了變化，經鉆孔中的鉆頭痕跡密且清晰，表明巖石比較堅硬經分析是細粒砂巖。選擇6300mm的錨索作為輔助支護，能夠保證錨固端在穩定的巖層上。

2.拉拔試驗－確定圍巖的可錨性。

分別對頂板、兩幫做拉拔試驗，試驗結果：頂上的錨固力大于18T，兩幫的錨固力大于12T。按照要求錨固力應該大于錨桿體的抗拉強度，對于頂板的拉拔當達到抗拉強度后就不進行拉拔，避免做破壞性試驗。對于兩幫達到屈服強度后就不進行拉拔。從實驗的結果可看出錨固劑、圍巖、桿體之間的錨固力能夠滿足設計的要求。

總之，在優化采動壓力影響下的掘進巷道支護設計參數方面，國內的研究人員還在不斷地進行探索，對于應用理論的研究以及模擬分析模型的建立還有很多問題有待解決。相信不久就可以實現對錨桿與錨索聯合支護系統進行更加科學和標準化的參數設計，為開采帶來更經濟和安全的支護解決方案。