千米深井高構造應力區巷道支護體系優化研究

閆春來 秦 鵬

（山東省兗州市大統礦業有限公司，山東 兗州 273100）

1 概述

星村煤礦所采3 煤經鑒定為強沖擊性，煤巷掘進過程中尤其七采區多次出現支護失效問題。七采區煤巷掘進是一個典型的大埋深、地質構造復雜條件下的高應力區域，埋深超過1100 m，水平應力大，附近沒有已掘巷道作為參考，巷道四周斷層較多、落差較大，掘進過程中壓力顯現完全不同于其他采區的巷道。

三采區的煤巷掘進過程中應力大小可通過鉆屑法、卸壓大孔、現場震動情況顯現出來，未出現過支護集中破壞的情況。然而七采區煤巷施工時，鉆屑法施工正常，未出現夾鉆吸鉆現象；預防性卸壓大孔施工過程中震動也較少，未出現夾鉆吸鉆現象；掘進割煤及支護過程中震動較少，且震動能量也較小，但是巷道頂板所承受的靜壓較大，巷道已掘進支護地點多次出現錨索斷裂現象，支護問題的失效現象嚴重威脅了巷道支護及施工人員安全。

2 支護體系破壞分析

2.1 錨索斷裂分析

七采區其中一條煤巷失效錨索統計結果：正拱頂錨索破斷16 根，其中斷錨索13 根，破斷位置距孔口2.0 m 左右；脫索、鎖片丟失的3 根； 錨索破斷基本處于迎頭20 m范圍內；恒阻錨索裝置口破斷。錨索破斷位置多位于孔口2.0 m 左右，多數動壓下發生張剪破斷。

從錨索斷裂的位置、距迎頭的距離以及中間錨索破斷的情況可以推斷，巷道開挖后頂煤在高水平應力作用下所發生的水平移動量較大，錨桿/錨索提供的約束效應不能有效控制頂煤的壓剪破壞，反而因頂煤的壓剪破壞造成支護體的破壞，給安全帶來隱患。

從錨索斷口分析，19 股鋼絞線都是在同一位置斷裂，斷口較齊，錨索為受橫向剪切應力造成的斷裂。

而其他區域巷道錨索斷裂明顯不同，鋼絞線斷裂位置不同，且鋼絞線斷裂處有直徑縮小的現象，是受縱向拉力作用造成的斷裂。

2.2 巷道頂板窺孔觀測

對七采區煤巷進行頂板窺視觀測，根據現場兩處鉆孔的窺視儀觀察結果，發現頂煤破碎、離層比較嚴重。孔深1.8～2.5 m 處，頂煤非常破碎，有較大裂隙，煤體整體性膨脹碎裂；孔深4 m（泥巖弱面）處，存在與鉆孔垂直的環形離層裂隙；孔深6.0～8.4 m 處，均有不同程度平行鉆孔方向的裂隙，圍巖受水平擠壓破碎。

錨桿支護范圍煤巖體整體性碎裂，煤巖接觸面軟弱泥巖產生離層，下部煤體發生整體性下沉。錨索錨固段圍巖出現平行鉆孔方向的裂縫，發生一定程度的破碎，對錨索端錨的可靠性產生較大影響。

2.3 地應力測試

七采區地應力測量報告結果：

最大主應力為68.46～68.56 MPa，其方位角為156.87°，傾角為8.37°～10.26°，為最大水平應力。

中間主應力為49.63～54.69 MPa，平均為52.16 MPa，為水平應力，方位角為65.57°，與最大水平應力相差91.3°，接近垂直。

最小主應力為34.92～35.23 MPa，平均為35.01 MPa。傾角為-73.73°～77.44°，可認為垂直應力。該巷道的平均埋藏深度為1220 m，按理論計算垂直應力（γH）為30.5 MPa。實測的垂直應力大于理論計算的垂直應力。

式中：σH為最大水平應力，MPa；σI為構造應力，MPa；μ為泊松比，實測值為0.255；σV為垂直應力，MPa；

按上式計算的構造應力58.01 MPa，實測結果和計算得出以下結論：

（1）該區域構造應力為58.01 MPa，整個區域以構造應力為主，屬于構造異常區域；

（2）最大水平主應力方向與軌道巷夾角61.39°～65.40°，呈大角度斜交，位置中間的主應力呈現水平方向。巷道掘進過程中，垂向應力因巷道施工后急劇降低，水平主應力導致頂板出現破壞以及底鼓現象，水平應力主要作用于頂底板，垂直應力主要作用于兩幫。

七采區煤巷沿3 煤底板掘進，巷道頂板為3 煤，f=2，強度低，巷道開挖后，引起應力集中，頂煤在水平應力的作用下發生壓剪破壞，這種破壞在掘進工作面前方就已經發生，掘進過程出現的煤炮就是應力發生轉移、圍巖發生破壞的現象。近5 m 厚的頂煤在高水平應力作用下必然發生由淺到深的破壞，錨桿/錨索不僅受到拉應力同時也受到剪應力作用，使錨索發生剪切破斷。

3 支護優化

3.1 全長錨固支護技術

在深井煤巷中，頂煤受到高水平應力的作用，在掘進前或開挖過程中就已發生了破壞，屬于高應力軟巖，控制軟弱巖層最有效的措施是錨桿/錨索采用全長錨固。

高強全錨支護技術其作用都是對圍巖提供雙向約束（軸向及徑向）。軸向約束通過錨索的軸向力經由托盤、網、鋼帶（鋼筋梯）以及索體與孔壁間的粘結傳遞給巖（煤）體，將圍巖受力狀態變換為雙向、三向受力狀態（原始受力狀態為單向及雙向），有效地提高了圍巖的強度。徑向約束表現為兩個方面，其一是因軸向約束而增加的層面或裂隙面上的摩擦；其二是索體及錨固劑所直接提供的抗剪阻力。這兩種約束效應是錨索產生支護作用的基礎。全錨支護技術就是提高錨索的軸向約束和橫向約束效果。

全長錨固可大大降低巷道圍巖的變形和頂板軟化高度。頂煤在水平應力作用下，因為缺乏有效的垂直層理方向的約束，造成頂板離層破壞，破壞的巖層承受水平應力的能力明顯降低，導致水平應力進一步向圍巖深部轉移，在深部形成新的破壞區。這個過程直到遇到強度高的巖石，或者被支護系統所阻止為止。上部頂煤的破壞，又對下部巖層產生膨脹載荷，造成下部巖層的下沉。采用高強全長錨固系統，則使錨固區內的頂板都受到約束，保證頂板巖層的整體穩定，遏制水平應力向上發展、限制離層破壞現象的發生，降低頂板軟化的高度。

全長錨固使錨索具有很高的抗剪強度。針對巖層沿層面或沿與錨索斜交的裂隙的錯動，全錨錨索以兩種方式產生徑向約束：第一是直接通過索體和樹脂粘結的剪切強度提供抗剪阻力抑制錯動；第二是通過較大的軸向力增加層面正應力，從而提高其摩擦阻力來抑制錯動。

3.2 頂板深孔卸壓爆破措施

對煤層頂板的原巖應力進行擾動、分散，降低巷道淺表區域圍巖應力，是保證應力得到有效釋放的重要措施。巷道頂板支護優化設計示意如圖1。

圖1 巷道頂板支護優化設計示意圖（mm）

4 結論

（1）在千米埋深、高構造應力、高水平應力、煤層區域掘進的巷道，尤其是巷道掘進方向與水平應力方向呈一定夾角時，巷道頂板支護錨索頻繁出現斷裂的情況是受橫向剪切造成的斷裂，依照原有的支護設計理念單純增加錨索長度、支護密度，不能提高其抗剪強度，原支護體系不能滿足安全掘進。

（2）采用全長錨固后，輔助頂板深孔爆破卸壓措施，通過巷道變形觀測，巷道變形比支護升級前明顯減小，處于可控范圍內。（前面能刪點吧，這一點不轉了）

（3）針對千米埋深、高構造應力、高水平應力、煤層區域掘進的巷道，全長錨固、提高錨索預緊力、深孔卸壓爆破均是有效的、經濟的、安全的措施，對于保證礦井安全生產，提高支護水平具有重要意義。