强烈动压巷道受力不对称特性及帮强控制研究

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

强烈动压巷道受力不对称特性及帮强控制研究

何杰

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

针对五阳煤矿7603运输巷围岩工程环境，基于相邻工作面回采后围岩受力和变形的不对称性特性，提出帮整体强化支护理念，从强化弱帮、建立强力支护结构体和提高整体支护刚度3方面设计控制体系，并确定了帮强控制方案，进行了现场应用。工程实践表明，帮整体强化支护技术有效地解决了该条件下巷道维护难题，保证了巷道稳定。

强烈动压；受力不对称；弱帮强化；支护刚度；强力支护结构

煤矿开采衔接紧张造成煤矿必须沿着不稳定采空区的边缘进行下个工作面回采巷道掘进，受不稳定采空区强烈动压作用，加上围岩破碎、埋深大、保护煤柱尺寸不合理等多种因素的影响，造成围岩受力环境复杂，与普通巷道相比，围岩受力变形具有明显的不对称特性，靠采空侧巷帮变形非常大，底鼓量大。围岩受力变形不对称对巷道稳定性控制提出更高的要求，而常规的巷道支护方式控制效果较差，国内外学者对类似条件下巷道受力变形进行了一些研究[1-3]，但强烈动压巷道围岩受力变形不对称特性及控制技术还需要进一步探讨，本文以五阳煤矿7603工作面运输巷为工程背景，对上述问题进行展开分析。

1 围岩工程环境

五阳煤矿7603运输巷紧邻7605工作面，7605工作面未回采完毕时，7603运输巷已开始掘进，7603运输巷掘进期间受7605工作面不稳定采空区强烈动压影响，埋深约550m，7603运输巷沿煤层顶板掘进，与7605回风巷之间保护煤柱为30m，采用跟掘(从切眼向外掘进)，煤层厚度6.2m，顶底板主要为泥岩和砂岩互层结构，顶板依次为3.2m厚泥岩、2.7m厚细粒长石砂岩、3.4m厚泥岩和1.2m厚细粒长石砂岩，底板为泥岩和细粒砂岩。地应力测量结果显示，最大水平主应力为15.16MPa，最小水平主应力为8.30MPa，垂直主应力为 11.25MPa，最大主应力与最小主应力方向为N84.8°E。

2 围岩受力变形不对称特性分析

根据7603运输巷顶底板力学参数，如表1所示，建立数值力学模型，模拟分析7603运输巷受7605工作面回采影响下，对称支护和非对称帮强支护2种支护方式下围岩应力和变形破坏状况。对称支护方案：锚杆杆体为φ22mm左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号为500号，长度2.4m，顶锚杆间距800mm，每排7根，帮锚杆排距900mm，每排每帮4根杆，排距900mm。锚索材料为φ22mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度7300mm，顶板每2排锚杆打5根锚索，排距1800mm。非对称支护方案：在对称支护基础上对采空侧帮进行锚索补强，靠近采空侧帮锚索采用三花布置，外侧帮每2排锚杆打设3 根锚索，锚索长度为5300mm，间距1800mm，排距1800mm，上部锚索距离顶板750mm，下部锚索距离底板950mm。由于篇幅有限，模拟结果选取7605工作面回采后，2种支护方案下7603运输巷应力和塑性破坏区破坏情况进行分析，模拟结果见图1～图3。

表1 数值计算模型的岩体力学参数

图1 垂直应力分布

图2 水平应力分布

图3 围岩塑性破坏区分布

(1)7605工作面回采后，工作面顶、底板处应力得到释放，在煤柱侧形成应力集中，最大垂直应力33MPa，最大水平应力29MPa，垂直应力集中系数2.9，水平应力集中系数约2.0，垂直应力影响明显高于水平应力，随着距工作面的距离增大应力集中程度递减，受回采动压影响，无支护下7603运输巷保护煤柱整体性被破坏。

(2)受7605工作面回采影响，7603运输巷受力和变形破坏具有明显不对称性，围岩塑性破坏区范围明显高于实体煤帮，这与应力的分布状态相对应；靠近煤柱侧应力集中明显高于实体煤侧，尤其是水平应力较明显。

(3)比较2种支护方式可知，非对称帮强支护能够明显改善围岩受力和破坏状态，使煤柱内部应力分布更均匀，缩小了煤柱应力集中和围岩破坏范围，降低顶底板水平应力量值，对称支护对煤柱应力和围岩破坏状态改善效果差。

3 帮整体强化体系

3.1帮整体强化支护理念

提高巷道帮部支护强度可增强帮部承载力，提高帮部结构体与顶板结构体的强度和刚度比值，增强顶板岩层稳定性，形成强帮护顶良性作用机制，使帮部成为顶板可靠支撑，使巷道结构体处于稳定状态[4]。由于巷道中底板支护施工难度大，尤其对于强烈动压巷道而言，多数巷道底鼓严重，采用强帮不仅能够护顶，同时能够改善和平衡底板应力分布，减轻巷道底板的变形，通过强帮达到护顶、底的效果，整体提高巷道围岩的承载能力，达到整体强化的目的。

3.2 支护结构设计

(1)强化弱帮 对于强烈动压巷道，采空侧受力大，保护煤柱的承载能力大，而煤体相对破碎，就巷道支护强度而言，可称为弱帮，提高弱帮支护强度和刚度，消减弱帮对巷道整体支护强度的影响，避免弱帮成为支护失效突破口，采用弱帮补强锚索，并施加较大的预紧力，改善以往单纯依靠锚杆护帮的理念，扩大弱帮支护区域，充分调动深部围岩承载能力，使浅部围岩和深部围岩成为一个整体，使巷道整体受力和支护保持均衡，保证围岩完整性。

(2)强力支护结构体 由于强烈的动压影响，不仅需要消除弱帮的影响，还需要大幅度提高巷道整体的支护强度，可采用2种方式：一是对支护材料需要整体的升级，将采用强力锚杆和锚索；二是优化支护结构，建立强力支护结构体。采用高效预应力扩散型护表构件，将单个的锚杆、锚索形成一个整体结构体，采用锚索配套钢筋托梁，锚杆配套W钢护板和钢筋托梁，同时尽量保证支护构件之间的强度匹配性，保证强力支护结构体的实现。

(3)提高支护结构刚度 预应力及其扩散是高预应力强力锚杆支护系统的核心[5-6]，为保证预紧力的施加及有效扩散，除了采用高效预应力扩散型护表构件，改变以往单纯锚杆、锚索现状，需要大幅度提高支护系统刚度，考虑预应力的损失[7]，将锚索初始张拉力增加为300kN，锚杆预紧扭矩提高至400N·m。

4 现场应用

4.1 控制方案及参数

依据帮整体强化理念及支护体系，采用高预应力强力锚杆锚索组合支护系统，设计具体控制方案在7603运输巷现场应用，巷道断面为矩形，宽5.5m，高3.5m，锚杆杆体为钢号500号、φ22mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长2400mm，锚杆配套W钢护板和钢筋托梁使用，锚杆排距900mm，顶锚杆间距800mm，两帮锚杆间距为900mm，W钢护板厚度5mm，宽280mm，长度450mm，锚杆配套钢筋托梁采用φ16mm钢筋焊接而成，宽210mm。锚索材料为φ22mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，锚索破断载荷550kN，顶锚索长7300mm，帮锚索长5300mm，锚索配套钢筋托梁采用φ20mm钢筋焊接而成，宽220mm，顶板锚索采用五花布置，每2排锚杆打5根锚索，居中布置，排距1800mm，间距为1600mm和1800mm，靠近采空侧帮锚索采用三花布置，每2排打设3 根锚索，排距1800mm，锚杆预紧扭矩要达到400N·m，禁止超过550N·m。锚索预紧力初始张拉要求达到300kN，损失后达到250kN。具体支护方案见图4所示。

图4 7603运输巷锚杆锚索支护

4.2 控制效果分析

为了检验帮控制技术的高预应力强力锚杆支护系统的控制效果，并改进和优化锚杆支护参数，在巷道中布置了围岩变形、顶板离层和锚杆锚索受力监测站。近2个月的观测结果显示，巷道采空侧移近量、实体煤侧移近量、顶板下沉量和底鼓量分别为245mm，65mm，28mm和230mm，巷道最终总离层量分别为28mm和33mm，实体煤侧帮锚杆平均受力66kN，顶部锚杆平均受力70kN，采空侧侧帮锚杆平均受力81kN，顶板锚索受力为253kN和246kN，采空侧帮锚索受力214kN和223kN，无锚杆锚索破断现象。综合以上分析可知，锚杆锚索的受力在设计范围内，巷道围岩变形在控制范围内，较类似条件下巷道整体变形量大幅度降低，控制方案有效地保证了巷道稳定，其中巷道表面位移、锚杆、锚索受力如图5和图6所示。

图5 表面位移变化曲线

图6 锚杆受力变化曲线

5 结论

(1)研究了强烈动压条件下巷道围岩应力和变形的不对称特性，分析了对称和非对称支护方式下巷道控制效果，帮非对称强支护能够改善围岩应力分布状态，使围岩应力分布更均匀，缩小应力集中范围和围岩破坏区域，有利于保证巷道受力与支护的平衡。

(2)提出了帮整体强化支护理念，从强化弱帮、建立强力支护结构体和提高支护体刚度3个方面设计控制体系，实现提高整体支护能力的目的。

(3)基于帮整体强化支护体系，进行了强烈动压巷道支护技术现场应用，提出了具体控制方案和参数，现场应用表明，控制方案能够有效地控制巷道围岩变形，保证巷道的稳定。

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[责任编辑：姜鹏飞]

Stress Dissymmetry Characteristic of Roadway Influenced by StrongDynamical Pressure and Coal-wall Control

HE Jie

(CoalMining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

For surrounding rock engineering environment of 7603 transportation roadway in Wuyang Colliery, a concept of wholly reinforcement supporting coal-wall was put forward on the basis of surrounding rock stress and deformation dissymmetry characteristic after adjacent face's mining which designed control system from reinforcing weak coal-wall, constructing powerful supporting structure and improving whole supporting stiffness.Coal-wall reinforcement projection was determined and applied in the roadway.Practice showed that the projection effectively solved the difficult problem of supporting roadway under this condition and kept the roadway stable.

strong dynamical pressure；stress dissymmetry；reinforcing weak coal-wall；supporting stiffness；powerful supporting structure

2014-06-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.016

国家自然科学基金资助项目(U1261211)；天地科技股份有限公司开采设计事业部科技创新基金(KJ-2014-TDKC-07)

何 杰(1984-)，男，河南长葛人，硕士，助理研究员，从事矿山压力与控制、巷道支护技术和理论研究工作。

何 杰.强烈动压巷道受力不对称特性及帮强控制研究[J].煤矿开采，2014，19(6)：60-63.

TD353

A

1006-6225(2014)06-0060-04