復雜地形條件井下圍巖支護技術的研究

王 偉

（山西焦煤西山煤電晉邦德煤礦， 山西 呂梁 033000）

0 引言

隨著我國淺層煤炭資源的日益枯竭，目前多數煤礦的開采已經進入到深部綜采階段，不僅綜采難度加大，而且綜采過程中巷道圍巖的穩定性急劇惡化，導致綜采作業受阻，嚴重影響了井下綜采作業效率和安全的進一步提升，因此迫切對現有的井下巷道支護體系進行優化，提高其支護穩定性，滿足支護可靠性的需求[1]。

本文以井下回采巷道為工程背景，在對巷道圍巖破壞現象進行分析的基礎上，揭示了復雜地形條件下圍巖發生破壞的機理，提出采用恒阻大錨索進行補充加強的方案，結合恒阻大錨索對圍巖變形時對能量的吸收轉換特性，提出了一種新的復雜地形條件下的耦合支護方案，對該方案的應用和效果進行了分析，結果表明，新的支護方案，能夠將井下圍巖變形平均降低44.375%，將對巷道綜采的超前影響范圍降低40%。對提升煤礦井下巷道圍巖穩定性具有十分重要的意義。

1 原支護方案及破壞現象分析

以煤礦井下回采巷道為例，其采深為471 m，巷道為矩形巷道，規格為3.5 m×5.2 m，采用了鋼帶+錨網索聯合支護的方式，在巷道頂板處采用了直徑為22 mm 的高強度螺紋鋼錨桿，錨桿之間的距離為800 mm，錨索采用了直徑為21.6 mm 的錨索，各個錨索之間的距離設置為2.4 m×1.6 m。在巷道的兩幫，采用了直徑為20 mm 的錨桿，錨桿的間距設置為0.8 m，在錨桿和錨索支護處增加鋼網及鋼帶加強。

在回采作業過程中由于支護穩定性差，導致巷道頂板下沉量大、圍巖兩幫變形量最大達到了800 mm，支護用的錨桿、錨索經常受力破斷，需要不斷補強加固，嚴重影響了井下生產的正常進行，井下破壞結構如圖1 所示。

圖1 井下圍巖變形示意圖

2 井下圍巖變形機制分析

為了對井下圍巖變形原因進行分析，利用FLAC仿真建模軟件[2]，建立井下巷道地質結構模型，通過對井下實際地質狀態的分析確定巷道內不同層次巖層的密度、體積模量、剪切模量及黏聚力，通過對巷道綜采作業過程中礦壓波動及綜采擾動量的分析，加載在巷道上的邊界載荷為16 MPa。然后再利用程序編輯鋼帶+錨網索聯合支護時的錨桿和錨索單元，用于分析在受力時的變化情況，巷道受擾動情況下的受力分布如圖2 所示。

圖2 井下巷道受力分布示意圖

由圖2 可知，井下巷道在受力情況下，其在支護區域的垂直應力主要分布在巷道兩幫，但右側的應力集中分布相對較為嚴重。剪切應力主要分布在巷道底板的兩個底角位置以及巷道頂板的兩個肩窩的位置。井下的水平應力主要是集中在巷道頂板的中砂巖層內，因此當中砂巖層的穩定性被破壞以后能夠快速的釋放大量的能量，極易誘發井下礦壓沖擊。

井下巷道圍巖在經歷多次應力沖擊后，圍巖的塑性變形區域增大，頂板位置的巖層強度更高因此塑性變形區域相對于底板位置更小，再加上在底板區域的應力集中，會導致底板處存在著大量的拉應力和剪切單元，加劇底板的破壞，由于圍巖是一個整體，因此會隨著底板的變形，導致整體變形加劇，錨桿和錨索的彈性變形小，無法適應巷道圍巖的變形，因此導致了受力拉斷，造成巷道圍巖的失穩。

3 耦合支護方案

為了解決巷道圍巖變形情況下錨索、錨桿變形量大、受力破壞的情況，本文提出采用恒阻大變形錨索支護的方案，恒阻大變形錨索主要由桿體、連接套、恒阻器和螺母構成，整體結構如圖3 所示。

圖3 恒阻大錨索結構示意圖

通過測試，恒阻大錨索在受到1 J 能量沖擊情況下的錨桿變形量約為0.007 2 mm[3]，對能量的吸收效果極其顯著。當固定進巖層后，能夠通過高預應力對圍巖進行加固，解決了傳統錨桿錨索支護時預緊力施加不足的難題。當圍巖出現變形后，恒阻大變形錨索通過吸收沖擊能量并通過恒阻器的變形來保證支護過程中的恒阻力，避免了礦用波動時沖擊能量的外泄[4]，實現了對巷道圍巖的防沖擊耦合支護。

因此為了對該耦合方案的實際應用效果進行分析，對原始巷道圍巖支護情況進行優化，采用恒阻大變形錨索+鋼網+鋼帶的組合式支護，來提高井下圍巖在工作過程中的穩定性，新的支護體結構如圖4 所示[5]。

圖4 井下耦合支護結構示意圖（單位：mm）

4 支護穩定性分析

為了對實際應用情況進行驗證，在井下回采巷道具有高沖擊特性的危險區域進行驗證，在區域內布置2 個觀測點，對在綜采作業過程中的圍巖變形量進行檢查，優化前后綜采作業過程中的變形量如圖5 所示。

圖5 優化前后巷道圍巖變形情況對比

由圖5 監測結果分析可知，優化前巷道頂板的最大變形量為241 mm，優化后為121 mm，比優化前降低了49.8%。優化前巷道底鼓量約為302 mm，優化后為176 mm，降低了41.7%。優化前巷道東幫變形量約為277 mm，優化后為162 mm，降低了41.5%。優化前巷道西幫變形量約為265 mm，優化后為147 mm，降低了44.5%。

可以看出，優化后的耦合支護方式，能夠將巷道圍巖的平均變形量降低44.375%，能夠顯著降低在綜采作業過程中巷道圍巖的變形量，有效提高了綜采作業過程中的穩定性，同時通過對巷道綜采的超前影響范圍分析，優化后的影響范圍由37 m 降低到了22.2 m，影響范圍縮小了40%。

5 結論

1）井下巷道圍巖塑性變形區域增大，在底板區域的應力集中，破壞加劇，因此導致整體變形加劇，錨桿和錨索的彈性變形小，無法適應巷道圍巖的變形，因此導致了受力拉斷，造成巷道圍巖的失穩。

2）恒阻大變形錨索主要由桿體、連接套、恒阻器和螺母構成，當圍巖出現變形后，錨索通過吸收沖擊能量并通過恒阻器的變形來保證支護過程中的恒阻力，提高了支護穩定性。

3）耦合支護方案，能夠將井下圍巖變形平均降低44.375%，將對巷道綜采的超前影響范圍降低40%。對提升煤礦井下巷道圍巖穩定性具有十分重要的意義。