高應力條件下巷道支護存在的問題及優化舉措分析

張艷軍

（太原市明仕達煤炭設計有限公司，山西 太原 030001）

引言

深部巷道支護問題是制約當前煤礦深部開采的重要瓶頸性問題，從當前巷道深部支護情況來看，整體的支護環境相對于先前更為復雜，特別是高應力問題帶來的其他支護難題隨之增加。全面做好高應力條件下巷道支護是當前很多煤礦面臨的重要課題。從具體支護實踐來看，在很多方面還需要優化提升。因此，對高應力條件下巷道支護存在的問題及優化舉措進行分析有著較為重要的意義。

1 某煤礦運輸巷道概況

某煤礦運輸巷道埋深接近800 m，從地質勘察情況來看，巷道直接頂、基本頂主要是泥巖，整體的強度相對較低，泥巖厚度也相對較大，容易出現破碎的問題。直接底為炭質泥巖、煤矸交叉層，這類巖石在遇水的情況下，容易出現膨脹等問題。從現場勘察和理論分析來看，巷道整體受到上覆巖層中厚度相對較大的砂巖影響，其中也有斷層的影響，導致巷道中出現了采動應力、地應力及構造應力相互疊加的問題，出現了局部應力高度集中的情況。巷道原支護設計如圖1所示。在巷道原支護施工之后，巷道整體出現了較為明顯的變形破壞問題，嚴重影響到巷道使用，礦方對巷道出現的變形問題進行了返修，但是返修效果不佳，因此，需要對巷道支護情況進行分析，提出更加復合實際的返修支護方案。

圖1 巷道原支護設計示意圖（單位：mm）

2 高應力條件下巷道支護存在的主要問題

根據現場勘察資料，特別是通過對返修后的巷道表面位移情況進行觀察可得到，巷道在支護后，整體的表面出現了較大的位移問題，導致巷道表現出突出的變形破壞，整個巷道斷面幾乎已經全部閉合，導致整個生產工作不能有效進行[1-2]。通過現場勘察和理論分析，得到巷道變形的主要問題有如下幾個方面：

1）巷道整體的埋深較大。巷道埋深已經接近800 m，上覆巖層帶來的垂直應力較大，在大埋深的情況下，水平應力已經成為了主應力，在這種超高地應力下，傳統的巷道支護方案和模式在很多方面表現出較大的不足，特別是再加上采動應力的影響，深部巷道圍巖整體表現出工程軟巖的特點，也就是巖體在淺部情況下，有著較高的強度，但是在深部高應力作用下，巷道已經表現出了軟巖的特點，對整個巷道支護帶來了突出的影響問題。選擇使用應力解除法對巷道所處地段的應力情況進行了分析，見表1。

表1 巷道地應力測量數值

2）從巷道支護方式來看，仍舊沿用的是傳統的淺部巷道支護方式，對在高應力條件下，巷道圍巖和巷道支護體之間的相互作用并沒有形成一個清楚認識，并沒有結合深部高應力條件，提出針對性的巷道支護返修方案，導致巷道出現了較為明顯的變形破壞問題。

3）巷道圍巖巖性整體較差。從現場勘察來看，巷道圍巖有較多的泥巖，同時，現場有明顯的淋水痕跡，這類巖石在使用的過程中，出現了較大的膨脹問題，導致巷道錨桿支護體在支護的過程中，不能提供出有效支護應力，對整個巷道支護帶來了非常突出的負面影響。同時，從現場來看，錨桿在煤體中出現了較為明顯的錨固應力不足的問題，根據現場拉拔實驗來看，整體的有效支護嚴重不足，對巷道支護產生非常突出的負面影響。

4）從現場支護來看，現場施工人員對錨桿、錨索并沒有施加充足的預緊力，兩者均出現相對偏低的問題，導致錨桿、錨索支護之后，對整個巷道圍巖并沒有形成主動控制的效果，特別是巷道表層圍巖并沒有受到三方應力作用，處于雙向應力狀態，整體的承載極限相對較低。此外，從現場支護情況來看，錨桿與錨索支護過程中，支護構件也出現了不匹配的問題。兩者均沒有安裝調心球墊，導致受力狀態整體較為惡化，現場出現了較多的錨桿、錨索支護體破斷被外拉的情況。同時，錨桿與錨索的托盤已經出現了明顯的翻轉或者變形的情況，這表明對錨桿和錨索施加的預緊力已經出現了失效。

3 高應力條件下巷道支護優化措施

為了確保巷道正常使用，為巷道提供有效的支護方案非常重要，結合巷道出現的變形破壞問題，根據巷道所處地質條件，提出了“高強讓壓錨桿”與“帶肋樹脂錨索”返修支護方案。支護所用錨桿、錨索具體結構如圖2 所示。

圖2 返修使用的錨桿、錨索具體結構示意圖

選擇使用以上述支護構件為主體的返修支護系統，可以提供更高的支護強度，特別是提供的“讓壓”性能效果相對先前更好，對于高地應力巷道的情況更為適應，因為在高地應力情況下，巷道圍巖內一般蘊含著較大的能量儲備，通過將高地應力進行適當的“讓壓”，可以引導圍巖在可控的范圍內進行能量的釋放，降低高地應力對巷道支護體帶來的破壞，在可控的范圍內釋放一定的圍巖變形，降低整個支護系統的支護難度。圖3 是巷道返修支護示意圖。在本次返修的過程中，考慮到巷道圍巖整體較為松軟，出現了較為明顯的破碎問題，全面做好對巷道頂板和兩幫的支護非常關鍵。因此，在返修的過程中，選擇使用縱橫鋼筋梁和金屬網配合的方式，對巷道表面進行了全面護表措施。

圖3 巷道返修支護示意圖（單位：mm）

在巷道選擇使用上述返修支護措施之后，技術人員對巷道整體的變形情況進行了現場勘察分析，選擇使用“十字交叉法”對巷道表面位移情況進行了研究。在本次返修觀察的過程中，充分考慮到錨桿、錨索支護下，圍巖活動表現出較強隱蔽性的問題，本次為了掌握一個較為完整的情況，本次對巷道支護情況進行了全面綜合觀測，主要有錨桿拉拔力、錨固力、頂板離層、巷道表面位移等進行了全面觀測，主要目的是全面掌握本次返修的情況，為下一步做好巷道支護的返修和調整工作提供出更為科學完善的依據。

通過對錨桿、錨索受力情況進行分析可知，在原支護的情況下，頂板錨桿的軸向應力在50～60 kN，巷道兩幫錨桿的軸向應力在40～50 kN，錨索的軸向應力在100～125 kN，但是在采取了全新的錨桿、錨索支護構件之后，頂板錨桿的軸向應力在80～90 kN，巷道兩幫錨桿的軸向應力在75～90 kN，錨索的軸向應力在120～140 kN。從這些數據可以看出，在對巷道選擇使用了全新的支護錨桿、錨索支護系統后，整體的錨桿、錨索受力的情況相對于先前有了較大的提升，整體處于較好的工作狀態，對于高應力條件下巷道支護更為適應。

通過對巷道表層位移情況進行全面觀測，得到了巷道位移情況圖，如下頁圖4 所示。

從圖4 可知，在選擇使用了全新的返修支護方案之后，巷道位移整體情況相對于原支護條件下出現明顯改觀，整體均得到了較為有效的控制，變形量對巷道正常使用并沒有產生較大的影響[3-4]。

圖4 返修后巷道表面位移曲線圖

4 結語

高應力條件下巷道支護相對于傳統的巷道支護方式在很多方面表現出了較大的不同，不僅僅要增強巷道支護的強度和剛度，更需要將圍巖自身的支護強度充分調動出來，形成耦合支護效果。很多煤礦也開始注重提升支護的耦合性，但是從具體工程實踐來看，耦合支護深度還需要提升，在很多情況下，并沒有達到較好的耦合支護狀態。因此，煤礦還需要加大對高應力條件下巷道支護的研究和問題，找準支護優化的關鍵點和結合點，全面提升巷道支護的整體質效。