松动圈理论在近距离煤巷支护设计中的应用

马来斌

（同煤集团技术中心，山西 大同 037003）

·技术经验·

松动圈理论在近距离煤巷支护设计中的应用

马来斌

（同煤集团技术中心，山西 大同 037003）

针对晋华宫矿14#层5705巷这一近距离煤巷支护困难的问题，利用钻孔摄像仪对其松动圈分布情况进行了实测，分析研究了现有支护方案存在的问题。基于松动圈支护理论进行了设计，通过在巷道顶角施加角锚杆，减小作用在剪切面上的剪应力，增加剪切面上的正应力，抑制了顶角剪切破坏的出现，增强了支护的整体性。实践结果表明，巷道开挖22 m后达到稳定状态，两帮收敛15．3 mm，顶板下沉量8．0 mm，没有明显的底鼓，取得了良好的支护效果。

近距离煤巷；松动圈支护理论；剪切破坏角锚杆

随着矿井开采年限的不断增加，大同矿区很多老矿井都进入了侏罗系14#层的开采，与其他层位相比，14#层与上覆12#层间距较近，受到采空区煤柱等的影响，14#层巷道压力显现十分明显，支护难度较大。其中，四台矿，在12#层煤柱的影响下，14#层8705工作面5705巷变形破坏严重，该巷道为矩形巷道，最大断面宽4．5 m，高2．6 m，平均埋深226．3 m，煤层厚0．61～3．18 m，平均1．9 m，层间对照见图1。

图1 51705巷所在位置层间对照图

巷道伪顶为粉砂岩，厚0．82 m，水平层理含植物化石；直接顶下层为中粗砂岩，厚度为3．43 m，灰白色，成分石英长石，块状结构，上层为细砂岩，厚度为4．64 m，灰白色，水平波状层理，含煤屑及暗色矿物。直接底为黑灰色粉砂岩，厚度为2．94 m，分选较好，具水平层理。在集中应力作用下，5705巷顶板角部被压碎，使顶板失去稳定的两肩，加速了顶板的下沉变形，严重阻碍了煤矿的正常生产，而且造成重大安全隐患。

本文以5705巷为研究对象，利用钻孔摄像仪对巷道两帮、顶角、顶板等关键位置进行松动圈测试，获得巷道围岩松动圈厚度分布图，基于松动圈支护理论对该类巷道进行支护设计，并在5707巷中加以应用，取得了良好的支护效果。

1 松动圈实测分析

巷道开挖后，围岩由原来的三维受力状态变化为二维受力，在失去第三主应力的作用下，当巷道周边应力超过岩石的强度极限时，巷道表面围岩率先破坏，使深部围岩失去平衡而继续破坏，并继续向围岩深部发展。将围岩中产生的这种松弛破碎带定名为围岩松动圈，通常用LP表示［1，2］。围岩松动圈是围岩分类、判定巷道支护难度以及设计合理支护参数的基本依据，因此，为科学有效地评价5705巷的破坏状态并对其进行合理的支护设计，首先进行巷道围岩松动圈的测试是十分必要的，测试原理及所用仪器设备详见文献［3］。

选取巷道变形破坏较为严重的地段，对两帮、顶角及顶板围岩松动圈厚度进行测试，钻孔布置见图2，部分钻孔测试结果见图3，将各个钻孔松动圈厚度值首尾相连，得到巷道松动圈厚度分布横断面图，见图2。

图2 松动圈钻孔及其厚度分布图

由图2可以看出，巷道松动圈厚度为0．979～1．377 m，其中顶板角部松动圈厚度最大，达到1．377 m，属于第III类松动圈，两帮松动圈厚度较小，为0．979～1．125 m。巷道顶角破坏后，原本两端固结的顶板变成了铰接，顶板中部变形破坏范围加大。

2 巷道支护设计及应用

2．1 现用支护方案分析

图3 部分钻孔松动圈测试结果

现用支护方案采用锚网加锚索支护，锚杆为普通圆钢锚杆，规格为L=1．7 m，d=18 mm，水泥托盘，锚杆排间距1 100 mm×1 500 mm。15．24 mm直径锚索，采用11#工字钢将3根锚索穿起来，形成桁架锚索，间排距1 500 mm×3 000 mm，顶底板均挂网。当14#与12#层间距较小时，采用11#工字钢棚支护加强支护，棚间距为0．8 m，采用背板背帮背顶，支护效果不佳。

分析以上支护方案可以看出，现用支护方案存在以下问题：1）普通圆钢锚杆强度较低，与数值药卷的锚固性差，锚杆长度短，间排距较大。2）采用水泥托盘，塑性变形较大，锚杆预紧力很难施加。3）顶板、两帮各自支护，未能将二者很好地结合起来，整体支护性差。

2．2 支护方案设计

考虑上述现用支护方案的不足，结合围岩松动圈厚度实测结果，利用松动圈支护理论对与5705巷相邻且即将进行掘进的5707巷进行支护设计。

根据松动圈支护理论，锚杆的长度为松动圈厚度、锚固长度和自由段三者之和，取锚固长度500 mm，自由段长100 mm，则锚杆长度取2．0 m，选取d20 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，经计算，锚杆的间排距为800 mm×800 mm；选用17．8 mm钢绞线锚索，根据悬吊理论，其长度取5 000 mm，间排距为1 600 mm×1 600 mm。锚杆托盘选用120 mm×120 mm× 10 mm球形预应力托盘，锚杆用钢带链接在一起，增强支护的整体性。锚杆预紧力150 N·m，锚索预紧力10 t［1］。

由图2可知，巷道顶角发生了严重的剪切破坏，因此，应该加强这部分的支护，在两顶角各打1根角锚杆，其作用主要为：1）锚杆的轴向约束承担了作用在顶板岩层上的部分载荷，从而减少了作用在顶板剪切面上的剪应力。2）锚杆杆体和锚固剂自身提供抗剪阻力。3）锚杆的预紧力增加了剪切面上的正应力，有利于抑制剪切破坏的出现。角锚杆采用500 mm长工字钢作为托盘，排距1．0 m，其他参数同上。此外，两帮最上面1根锚杆向上倾斜15°，顶板最外侧的2根锚杆各向两帮方向倾斜15°，详细支护横断面见图4。

图4 支护横断面图

2．3 工程应用

8707工作面为8705面比邻工作面，其5707顺槽与5705巷地质环境等各方面极其相似，因此，在该巷中对新设计的支护方案进行工程应用并评价，具有很强的科学性。为了对支护效果有更直接的评判，在巷道掘进过程中，利用十字布点法［4，5］对巷道表面位移的变化进行了实时监控，结果见图5。

图5 掘巷过程中围岩表面位移变化图

由图5可知，巷道开挖22 m后基本保持稳定，两帮收敛量为15．3 mm，顶板下沉8．0 mm，底鼓仅为3．3 mm，可以忽略不计，巷道顶角破坏的显现得到了很好的控制，顶板岩层在两帮稳定支持下保持稳定，巷道支护效果良好。

3 结 论

1）5705巷道松动圈厚度为0．979～1．377 m，其中顶板角部破坏最为严重，松动圈厚度达到1．377 m，属于第III类松动圈，两帮松动圈厚度较小，为0．979～1．125 m。

2）现用支护方案所用的普通圆钢锚杆强度低，与数值药卷的锚固性差，锚杆长度短，间排距较大；采用水泥托盘，塑性变形较大，锚杆预紧力很难施加；顶板、两帮各自支护，未能将二者很好地结合起来，整体支护性差，致使支护效果较差。

3）采用松动圈支护理论，对5707巷进行了支护设计，在顶角施加角锚杆，通过锚杆的杆体和锚固剂承担了作用在顶板岩层上的部分载荷，减小作用在剪切面上的剪应力，增加剪切面上的正应力，抑制了顶角剪切破坏的出现，增强了支护的整体性，取得了良好的支护效果。

［1］董方庭．巷道围岩松动圈支护理论及应用技术［M］．北京：煤炭工业出版社，2001：1-2．

［2］许国安，靖洪文．煤矿巷道围岩松动圈智能预测研究［J］．中国矿业大学学报，2005，34（2）：152-155．

［3］靖洪文，李元海，梁军起，等．钻孔摄像测试围岩松动圈的机理与实践［J］．中国矿业大学学报，2009，38（5）：645-649，669．

［4］周诗建，周华龙．矿山压力观测与控制［M］．重庆：重庆大学出版社，2010：57．

［5］窦林名，邹喜正，曹胜根，等，煤矿围岩控制与监测［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2007：4-5．

Application on Loose Circle Theory in Support Parameters Design of Close Coal Roadway

Ma Lai-bin

To solve the difficult problem of 5705 close coal roadway support in No．14 layer of Jinhuagong coal mine，measure the relaxation zone of the central roadway by borehole camera technology，analyzes the problems of the existing support programs．Targeted design support parameters based on loose circle theory，corner bolt is applied in the roadway＇s apex angle，reduced the shear stress on the shear plane and increased its normal stress，strongly inhibit the shear failure of the apex angle，and enhance the integrity of the supporting．The results of engineering practice show that the roadway broaden reach steady state after excavate 22 m，and the convergence between two sides is15．3 mm，roof convergence is 8．0 mm and there is not obvious heaving floor and obtains the good support effects．

Close coal roadway；Loose circle supporting theory；Shear failure；Corner bolt

TD353

A

1672-0652（2013）07-0014-03

2013-04-05

马来斌（1984—），男，山西大同人，2006年毕业于山西大同大学，助理工程师，主要从事矿井建设方面的研究与管理工作（E-mail）tmjt_mlb＠163．com