煤巷围岩变形控制及支护研究

王武军

摘要：根据对矿压观测及软弱岩体的力学行为特征，分析了煤巷两帮的主要破坏失稳形式，并探讨了煤巷片帮类型锚网锚固机理，以及锚杆锚索联合支护机理分析，提出了形成厚、 宽比大于薄板的锚固墙（或锚固块）的锚杆支护观点，并据此给出了锚杆锚索联合支护方案及支护参数，数值模拟计算了U钢支护的位移和塑性区量变程度，对比分析提出了煤巷提高支护强度的合理化建议。

关键词：锚杆 锚网支护 数值模拟

0 引言

由于焦煤集团方庄一矿四级轨道前期受采动影响，矿压显现突出，造成巷道支架部分柱腿扭曲损坏，顶梁折损，上拱，巷宽收缩，水沟、台阶被挤毁，不同程度地出现了位移、变形、开裂、片帮、底臌等破坏现象，严重影响行人通车，危及安全和施工进度，虽经多次返修维护，但仍然难以保持稳定。为了寻求合理的支护方式，通过矿压观测分析，对巷道围岩卸压控制及数值模拟计算对比，并结合现场试验，对该巷道提出合理化支护建议，以有效控制巷道断面变形和支架稳定。

1 巷道两帮的破坏形式及锚杆锚索支护

1.1 巷道两帮破坏形式

由于四级轨道为煤巷，两帮侧压较大，巷宽收缩变形严重，在矿山压力作用下尚未彻底破坏，且与层理垂直的裂隙又较发育的煤体，被揭露后将失去横向约束，其应力状态也将处于双向应力状态。此时，煤壁受支承压力的影响会发生压裂式破坏，产生劈裂式片帮。支承压力和裂隙的分布、煤体强度等都可能影响片帮深度。

1.2 破碎两帮锚固结构支护原理

根据裂隙体及破碎体的岩性特征，破碎两帮锚杆支护宜采用挤压加固和整体锚固相结合的方式。即通过锚、网作用使两帮中形成具有一定承载能力的挤压加固墙。若将两帮顶、底角的锚杆倾斜布置，使顶、帮锚固体及底板形成整体承载结构，还可减小两帮位移，增强锚固体对深部岩体的约束作用。

1.3 锚杆锚索联合支护机理分析

在深部大变形巷道中，巷道围岩的变形破坏过程对锚杆的工作性能产生的影响最大。锚杆（索）提供的锚固力通过黏结剂作用在围岩上，从而限制围岩的移动变形。锚固方式的不同必然会影响荷载在锚杆中的传递机理，所以既不能离开围岩和围岩变形去分析研究锚固力和锚杆支护问题，也不能离开锚固力去分析研究围岩变形问题。因此，对锚杆与围岩相互作用关系进行深入研究，必须符合这一规律。

1.4 锚杆锚索支护方案的确定

巷道頂、帮的控制应遵循不同的支护原则：顶板控制应遵循使围岩处于弹塑性稳定状态的支护原则，两帮控制应遵循使围岩处于松动性稳定状态的支护原则。巷道顶、帮的锚杆支护应依据不同锚杆的支护原理：顶板锚杆支护应依据组合梁理论和悬吊理论进行；两帮锚杆支护宜采用挤压加固和整体锚固以及喷射混凝土相结合的方式进行。从现场观测到巷道顶板和两帮煤体的浅部出现了拉应力，根据无拉应力准则判定，该区域最有可能的破坏方式是弯曲拉伸破坏。巷道角部的剪应力比较大，巷道角部围岩最有可能的破坏方式是剪切破坏，可能会导致顶板剪切冒落。因此，顶角部锚杆宜采用倾斜布置。

支护方案为：锚杆、金属网、钢筋梁与锚索补强联合支护。

2 U钢棚支护效果数值模拟

2.1 模拟的目的

依据焦作集团方庄一矿煤巷地质条件，模拟在不同的形式下巷道围岩的位移、应力分布及围岩塑性区大小等情况，最终选择出最佳的支护方式及其合理的支护参数。

2.2 模型构建

模拟的对象是在相同的地质条件下不同支护形式支护的巷道。巷道位于煤层中，用泥岩、砂质泥岩、中砂岩做顶板，砂质泥岩、中砂岩、粉砂岩和硅质泥岩等做底板。另外，为便于计算，数值模拟中的模拟对象宜选用最厚的岩层，同时把厚度较小但岩性相近的岩层划为同一层。每种支护形式按煤层中间进行布置计算。

2.3 数值模拟结果及计算分析

从图1可以看到，煤层中间布置时，最大底臌量250mm，顶板下沉量最大值178mm。这是因为煤层强度小于顶底板岩石的强度，布置在煤层中的巷道，顶底板性质均匀，位移量相差最小，由于强度较低，位移均达到了160mm以上，说明在此地质条件下，巷道位置对围岩变形量影响较大，围岩变形量最小；巷道围岩位移大于50mm的范围在顶板上方随巷道的不同而发生明显的变化，巷道在煤层中布置时50mm等值线距巷道顶板为7m，距巷帮的距离为10m左右，距巷道底板为3.2m，说明巷道顶板越坚硬，顶板上方深部围岩出现大形的范围的越小，而对巷帮和底板深部围岩的位移影响不大，主要是因为巷道坚硬顶板的残余强度较大，岩体虽然破碎，但是自承能力较强，因此顶板深部围岩变形量较小

从图2看出，在外扎腿U型棚支护后，有效控制了巷道附近及深部围岩的位移量，表面最大位移在底板控制在90mm，顶板50mm左右，距底板以下超过6m的围岩整体下移，位移量小于15mm，顶板深部围岩上方高10m、宽7m的范围内位移量约为50mm～70mm，超过此范围位移量小于15mm，表明巷道围岩的受力状态因支护结构而发生改变，围岩强度大大提高。

巷道围岩塑性区大小是影响其稳定性的重要因素。塑性区是巷道在巷道开挖后，围岩运移及应力重新分布的最终也是最直接的结果。无支护时，塑性区范围顶底板大于两帮；顶板的受拉单元范围以此增大，与距巷道顶板相距约1m。安装支护结构后能够有效控制巷道塑性区扩张，且巷道顶板基本没有受拉单元，这表明安装的支护结构大大提高了围岩强度，同时避免了巷道表面及深部围岩向开挖空间的运移。

外扎腿U型棚支护时，巷道位于煤层中间，底板位移在95mm左右，顶板位移值42mm，巷道支护效果最好。同时支护巷道顶板及深部围岩的受力均匀，应力集中系数较小，在同等条件下，这种支护方式塑性区范围最小。

3 结论

通过对煤巷锚固理论研究和矿压观测实验分析，以及对U钢巷道无支护形式和外扎腿U钢支护数值模拟计算得出以下结论：

①根据煤巷两帮破坏形式和锚杆锚索支护机理分析，确定了煤巷锚杆锚索支护方案及支护参数，采用锚杆、金属网、钢筋梁与锚索补强联合支护行之有效，对两帮收缩严重区域松帮卸压，同时采用确定的锚网支护方案，对围岩变形控制起到了良好作用。

②通过U钢支架对煤巷数值模拟，采用外扎腿U钢支护能有效控制围岩变形，数值计算结果表明，该支护形式合理。

③对于焦煤方庄一矿四级轨道严重变形巷道，围岩破碎，单纯的U钢支护和锚网支护已不能满足支护强度，宜采用上述较合理的锚杆锚索联合支护+U型钢支护，并进行喷浆，注浆加固。

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