急傾斜煤層跨采巷道預應力全錨支護研究與應用

王云河，江 海，李建建，趙志剛

（1.川煤集團華榮能源公司代池壩煤礦，四川 廣元628208；2.山東安科礦山支護技術有限公司，山東 濟南250033）

0 引言

礦井運輸、通風、行人等永久性大巷，由于服務年限長，對巷道穩定性要求高，故往往布置于巖性較好的巖層中，通過高強錨網索支護或配合鋼棚支護便可以有效控制巷道圍巖變形，保持巷道長期穩定。但在采動應力影響下，超前支承壓力的轉移和集中會對巷道應力場和位移場造成強烈地擾動[1]，導致巷道圍巖變形破碎，影響礦井安全高效生產。

當工作面回采跨采永久性巷道時，由于其礦壓顯現特殊性，跨采巷道支護技術探索實踐一直是前沿課題。李廷春等[2]通過現場實測和數值模擬計算分析了應力變化對巷道變形破壞規律，說明了應力對巷道變形的力學原因；宋康磊等[3]通過地質雷達和激光掃描研究了跨采巷道圍巖結構建議采用U型鋼可伸縮支架從排距1 m減小為0.8 m支護；郭靖等[4]應用彈塑性理論和數值模擬分析了跨采底板大巷應力分布特征和變形規律，針對性地提出了“局部注漿+高強錨桿索”聯合支護技術；盧鑫等[5]對底板破壞最大深度及影響范圍進行了力學計算,提出了錨索桁架+木垛聯合支護方式，使巷道在跨采期間受動壓影響時的穩定性大大提高。

但針對近距離急傾斜煤層跨采巷道穩定性控制技術研究較少，本文以代池壩煤礦＋320東大巷受上覆31345工作面回采動壓影響為背景，開展原巖應力測量和圍巖力學參數測試工作，并根據原巖應力場理論分析和數值模擬結果，采用全錨支護技術補強加固跨采巷道，取得了較好的控制效果，滿足跨采巷道穩定性控制要求。

1 工程概況

代池壩煤礦＋320m東大巷為直墻半圓拱斷面，巷道凈寬4 m，凈高3 m，布置于31345工作面底板粉砂巖中，與31345運輸巷法向距離7～10 m。巷道位置關系見圖1。

圖1 ＋320m東大巷與31345工作面位置關系圖

31345工作面所采13煤性脆，內生裂隙發育，平均傾角47°，平均厚度1.63 m，夾數層夾矸。＋320 m東大巷圍巖為厚層狀細粒長石石英砂巖，以石英為主，長石次之，緩波狀層理發育，明顯接觸，夾粉砂條帶，巖石強度較高，但圍巖裂隙、節理發育程度較高，導致局部淺部圍巖張裂破碎脫落，巷道成型效果差，見圖2，其錨桿支護設計方案較為簡單，采用Φ20 mm×2 200 mm的高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿進行支護，間排距為800 mm×800 mm，巷道正頂布置1根，兩側對稱布置2根，每排布置5根。

圖2 ＋320m東大巷破壞現狀

2 巷道應力環境與圍巖力學條件

根據工作面及＋320東大巷區域地質與采掘狀況，采用鉆孔應力解除法測量該區域原巖應力場，地應力測點位置見圖1。地應力測量中實施應力解除位置均距離巷道10 m以上，傾角15°左右，以保證所測結果不受巷道開挖的干擾影響。在地應力測量鉆孔施工的同時進行巖石取樣工作，保證應力解除巖性與巖石力學測試巖性一致，便于開展應力場與圍巖力學特征相關性研究和解釋工作[6]。地應力測量結果見表1，巖石力學參數測試結果見表2。

表1 ＋320東大巷區域原巖應力測量結果

表2 13煤頂底板巖石力學參數

從地應力和巖石力學測試結果可以看出。

1）最大主應力б1方位為南偏西向，傾角較大，超過45°，且與煤層傾向、傾角大體一致，與最小主應力方位上呈正交關系，說明應力場狀態與巖層構造方向密切相關，受到急傾斜巖層影響。

2）垂直應力бV量值與按上覆巖層容重和埋深計算的垂直應力基本相符，且最為接近最大主應力б1，說明應力場中垂直應力占優勢地位，是影響巷道穩定性的主要因素。

3）最大主應力方位上與＋320東大巷軸向呈65°夾角，接近垂直方向，對巷道穩定性影響較高。

4）應力場分布特征與巖石強度密切相關，主要體現在應力大小與巖石強度呈正相關關系，即巖石抗壓強度、彈性模量的增大，其承載的應力水平越高，而應力方向與之相關性不大，表現出一致性[7]。

應力是引起礦井巷道圍巖變形和破壞的根本作用力，巷道掘進和工作面回采均可對巷道應力環境產生重要影響，其施工擾動過程也是圍巖結構變形破壞形成的過程，由于巷道圍巖的變形和應力重新分布，使得巷道圍巖處于低圍壓應力和較高的應力差狀態。進而在采空區與巷道區域形成相互鉸接的受力單元和一系列具有一定規律分布的裂隙帶，見圖3。

圖3 工作面回采后＋320東大巷圍巖結構和應力分布模型

上部31345工作面回采產生的應力轉移和集中現象，使得下部巖層及＋320東大巷應力進入失衡狀態，引起＋320東大巷圍巖承載性能降低，破碎擴容形成較大收斂位移，包括冒頂、底鼓、片幫，尤以頂板和底角位置破壞最為嚴重，圍巖位移的不斷加大最終導致巷道失穩。

從垂直應力變化理論趨勢分析，31345工作面回采后，在運輸巷回采側形成采空區，頂板冒落并逐步壓實，應力釋放并趨于穩定，為垂直應力降低區和穩定區，在運輸巷非回采側，在實體煤中出現應力轉移集中，為垂直應力增高區和正常應力區。

從水平應力變化理論趨勢分析，由于工作面為急傾斜煤層面，回采后，頂板水平應力得以釋放，主要向底板轉移和集中，運輸巷頂板主要為應力降低區，運輸巷底板為垂直應力增高區和正常應力區。

由力學模型分析可見，回采過程中采空區邊緣會產生明顯的應力集中現象，底板跨采巷道處于垂直應力降低和水平應力增高的非等壓受力狀態。

3 巷道支護優化方案

3.1 巷道支護優化思路

巷道支護的目的就是如何有效控制巷道的結構變形和松散變形，只有通過足夠的初始預緊力和合理的支護范圍，從一開始就對圍巖進行強有力的約束作用，消除圍巖的初期松動變形，調動圍巖整體承載能力才是保證巷道圍巖穩定性控制的有效途徑，而不是等待圍巖產生松動變形后再去懸吊松垮的圍巖[8]。

針對＋320東大巷在上部31345工作面回采動壓影響下錨桿支護強度和范圍弊端，應用預應力全錨支護技術補強加固，即首先對錨桿/錨索端錨后采用大預緊力提高圍巖護表強度，減小淺部圍巖松動破碎，再采用高強錨固材料全長錨固強化錨桿/錨索與圍巖力學聯系，抑制圍巖剪切變形和離層破壞，改善圍巖-支護系統剛度和承載性能[9]。

3.2 預應力全錨支護優化方案

根據＋320東大巷現場斷面條件，預應力全錨支護采用中空注漿礦用錨索和中空注漿錨桿全斷面支護模式，見圖4，具體支護技術參數和要求如下。

圖4 應力全錨支護方案圖

1）中空注漿錨桿型號為MZG K200-32/27-2 500 mm，間排距1 600 mm×3 200 mm，每排5根，采用2支K2335樹脂錨固劑端錨，蝶形鋼托盤規格為120 mm×120 mm×8 mm，預緊力100 k N。

2）中空注漿錨索型號為SK Z22-1/1860（C）-6 300 mm，間排距1 600 mm×3 200 mm，每排4根，采用3支K2335樹脂錨固劑端錨，蝶形鋼托盤規格為300 mm×300 mm×16 mm，，預緊力200 k N。

3）采用Φ6 mm鋼筋經緯網護表。

4）注漿參數：采用MZM-70型高強無機注漿錨固料，水灰比為1∶3.5，注漿壓力不低于7 MPa。

4 數值模擬結果與分析

采用F LAC數值模擬分析＋320東大巷受31345工作面回采條件影響下應力環境和圍巖變形破壞特征。本構模型區域為＋320東大巷巷道中心線兩側各15 m，頂板以上20 m，底板10 m。邊界條件為：以均布載荷的方式施加于模型上邊界，模型左邊界和右邊界限制水平位移；模型下邊界限制水平位移和垂直位移，使得整個模型的左下角和右下角節點不會產生位移，保證了整個模型在計算過程中不會產生漂移現象，見圖5。

圖5 數值模型模型與巖性柱狀圖

4.1 巷道彈塑性區分布范圍和結果

根據＋320東大巷在31345工作面回采后圍巖彈塑性變形破壞范圍和程度分布，見圖6。原支護狀態下，＋320東大巷圍巖淺部以屈服后的彈性恢復狀態為主，在左幫和底板右底角處局部圍巖受動壓影響出現超過巖體單軸抗張力的拉力屈服破壞現象，但范圍較小。＋320東大巷圍巖深部巖體大部分處于彈性變形階段，頂板在采空區下部出現局部拉力屈服破壞現象，左幫圍巖彈性變形區域和完整性均超過右幫圍巖。

圖6 圍巖彈塑性區分布范圍

全錨支護后，＋320東大巷圍巖以彈性變形和屈服后的彈性恢復狀態為主，特別是彈性變形狀態出現大面積增加，單軸抗張力的拉力屈服破壞現象主要出現在底板和右幫上部局部區域，其彈塑性變形破壞程度較原支護狀態有較大改善。

4.2 巷道水平應力分布范圍和結果

根據＋320東大巷圍巖水平應力場分布范圍和特征數值模擬結果（見圖7），＋320東大巷在上覆31345工作面回采后，水平應力方向沿巖層傾角分布，主要在31345運輸巷頂板及右幫區域集中，整體處于應力釋放區，應力水平低于3 MPa，只有在巷道左幫底角區域為應力集中區，應力水平超過6 MPa。

圖7 巷道水平應力及速度場分布圖

全錨支護后，在31345工作面回采后，＋320東大巷水平應力基本處于釋放區，應力水平不高于2 MPa，只有在巷道左幫底角區域為應力集中區，應力水平超過6 MPa，分布范圍和應力集中程度較原支護狀態明顯縮小。

4.3 巷道垂直應力分布范圍和結果

根據＋320東大巷圍巖垂直應力場分布范圍和特征數值模擬結果（見圖8），＋320東大巷與31345運輸巷的法向距離為7 m時，＋320東大巷在上覆31345工作面回采后，垂直應力方向沿巖層傾角分布，巷道頂底板區域處于應力釋放區，應力水平低于3 MPa；兩幫區域為應力集中區，左幫出現應力集中范圍和程度均高于右幫，應力水平峰值超過24MPa。

圖8 巷道垂直應力及速度場分布圖

全錨支護后，＋320東大巷在上覆31345工作面回采后，垂直應力方向沿巖層傾角分布，巷道頂底板區域大范圍處于應力釋放區，應力水平低于6 MPa；兩幫區域為應力集中區，左幫出現應力集中范圍和程度均高于右幫，應力水平峰值超過18 MPa，其應力集中程度和范圍較原支護狀態明顯縮小。

5 預應力全錨支護效果

預應力全錨支護后巷道沒有出現明顯變形、噴漿層脫落現象，底板鼓起破壞不明顯，滿足了正常生產服務要求。通過多點位移計對巷道頂板和兩幫的變形監測結果看，見圖9，在工作面回采動壓影響期間，＋320東大巷圍巖變形破壞主要出現以下特征：

1）工作面回采期間跨采巷道變形破壞程度低，各監測部位圍巖變形量在120 mm范圍內，變形量呈現左幫＞頂板＞右幫的特征，滿足巷道穩定性控制要求。

2）31345工作面回采初期，跨采巷道圍巖變形速度較低，超前應力破壞影響從距離開采巷道10 m開始，至-30 m時破壞強度達到峰值，隨后跨采巷道變形破壞強度逐步降低。

3）跨采巷道頂板變形以淺部圍巖碎脹變形為主，變形量為90 mm，影響范圍在2.1 m范圍內，主要破壞范圍在0.9 m范圍，0.6 m和0.9 m處存在明顯裂隙離層區段。

4）巷道幫部圍巖呈現前期變形發展較快，后期逐步趨于穩定的特征，巷道3 m以上圍巖變形較小，3 m以下圍巖區域呈現階段性碎脹變形，在1.2 m和0.6 m位置處存在明顯離層裂隙發育區，左右幫整體變形量分別為118 mm和80 mm。

6 總結

1）地應力和巖石力學測試結果表明，＋320東大巷圍巖強度較高，但處于應力場較不利狀態，在31345工作面回采期間，受巖層急傾斜影響，其次生應力變化較為復雜，巷道穩定性控制難度較大。

2）受急傾斜煤層賦存特點的影響，煤層及頂底板巖層附近應力場呈非均勻分布，工作面回采過程中采空區邊緣產生明顯的應力集中現象，跨采巷道處于垂直應力降低和水平應力增高的非等壓受力狀態，巷道應力集中主要位于左幫底角處和右幫上部區域，塑性破壞區主要分布于左幫上部和右幫下部。

3）預應力全錨支護采用高預緊力、高壓注漿和及時注漿全錨的技術手段，實現了注漿錨桿/索全錨作用，配合護表材料的約束作用將淺部破碎圍巖與深部穩定巖層形成整體，抑制圍巖進一步變形發展。

4）現場應用和驗證了采用高強支護材料和注漿材料，可以明顯強化圍巖與支護體力學聯系，提升錨桿/索主動支護能力，提高圍巖抗拉拔和抗剪切變形的能力。達到了全錨支護預期的技術目標，取得了良好的支護效果，為急傾斜煤層跨采巷道補強加固提供借鑒意義。