深井高地压软岩巷道围岩压力转移支护技术研究

杨永刚，张海燕

(1.安徽省煤炭科学研究院采矿支护技术中心，安徽合肥230001; 2.解放军电子工程学院基础部，安徽合肥230037)



深井高地压软岩巷道围岩压力转移支护技术研究

杨永刚1，张海燕2

(1.安徽省煤炭科学研究院采矿支护技术中心，安徽合肥230001; 2.解放军电子工程学院基础部，安徽合肥230037)

［摘要］潘三矿－730～－960m暗副斜井埋深大，巷道围岩破碎软弱，巷道前掘后修现象突出，严重制约了矿井安全生产。在理论分析、数值计算的基础上提出了围岩压力转移支护技术“三原则”，并研制了锚索组合支护构件——箱型梁。现场应用表明，锚索箱型梁大幅提高了锚索组合梁的强度和刚度，较好地解决了目前各类槽钢梁及T3钢带等存在的强度、刚度过低的问题，围岩压力转移支护技术能较好地控制深井高地压软岩巷道的围岩变形，在类似条件下具有良好的应用价值。

［关键词］深井;软岩巷道;围岩压力;箱型梁;转移

［引用格式］杨永刚，张海燕.深井高地压软岩巷道围岩压力转移支护技术研究［J］.煤矿开采，2015，20 (2) : 56－59.

Supporting Technology of Surrounding Rock Pressure Transformation in Soft-rock Roadway with High Geo-stress in Deep Mine

近年来随着矿井开采深度的增加，遇到了越来越多复杂地质环境下的地下岩石工程，因而对此类工程的研究对于矿井的可持续发展具有重要的意义。高地应力环境及强烈的时间效应导致深部岩体组织结构、基本行为特征和工程响应均发生根本性改变，使巷道矿压显现明显［1－3］，采用常规支护设计的深部高应力巷道的稳定性越来越难以控制，巷道断面收缩严重，有些巷道需要反复维修，从而造成巷道的维护费用高出掘进费用数倍，严重影响矿井安全高效生产。

由于锚索具有锚固深度深、支护强度高、适用性好等优点，锚索与锚杆联合支护已成为锚杆支护技术的普遍的发展方向和应用形式。锚索在巷道支护中的普遍使用，提高了巷道支护的强度和安全性，扩大了锚杆支护技术的应用范围。然而，在锚索支护实践中发现:高地压巷道的变形和破坏仍然不能得到有效地控制，部分巷道的顶板仍然时有冒落发生，巷道的稳定性和安全性仍然存在较大的不确定性。为了改变上述状况，尤其是为了提高巷道锚梁网支护的稳定性和安全性，煤矿支护研究单位和现场进行大量研究工作，并采取了相应的技术措施，如加大锚索直径、加大支护密度、注浆加固等等，促进了巷道锚索支护技术的发展［4－10］。然而，锚索支护巷道中存在的围岩稳定和安全问题未得到很好解决，这些问题的存在固然有多种原因，比如地层压力、巷道断面的增大等。但一个不可忽视的问题就是锚索外锚强度、刚度低，在锚索支护力远未达到其额定支护力的情况下就会发生屈服或变形破坏，使得锚索支护性能无法有效利用，巷道围岩压力无法有效转移，巷道围岩变形破坏不能有效控制。因此，研究采用何种支护手段有效收集巷道围岩表面压力，并将其转移至深部，控制深井软岩巷道的围岩变形，是过去普通锚梁网支护中未曾遇到过的新问题，具有重要的理论和实践意义。

1　工程概况

淮南矿业集团潘三煤矿－730～－960m联络斜巷上段位于该矿东三采区，巷道设计工程量670m，具体工程地质条件如下:

(1)巷道穿层掘进，围岩破碎松散巷道以10°下山施工，期间巷道穿过4层煤线，岩性以泥岩、细砂岩或粉细砂岩为主，近水平层理，分层薄，每层仅为100～150mm左右，竖向裂隙极为发育，破碎成碎块状，节理间泥质胶结。

(2)巷道埋深大、地压大巷道掘进标高－730～－820m，属于典型的深井高地压巷道。

(3)巷道掘进断面大巷道掘进宽5500mm，掘进高度4250mm，掘进断面积20.12m2。

(4)巷道服务时间长巷道为二水平技改延深工程，将要服务整个二水平的开拓与开采，服务时间应在20a以上。

2　支护技术分析

2.1支护对策

(1)巷道围岩表面压力收集支护技术在巷道表面通常都存在着大量的无支护空间。对于地压大、围岩条件差的巷道，这些无支护空间成为巷道围岩压力卸载的宽阔大门。围岩压力卸载严重，使得锚梁索的高支护强度不能充分得到发挥，严重影响锚梁索支护效率，甚至失效。因此，采用合适的支护材料与参数，加大破碎巷道围岩表面的封闭面积是必要的。

(2)采用强度、刚度更高的锚索组合梁对于此类复杂巷道一般均采用组合锚索支护，围岩压力首先作用于锚索组合梁上，如其强度低、刚度低而在锚索支护力远未达到其额定支护力的情况下发生屈服或变形破坏，就会使得锚索支护性能无法有效利用，巷道围岩压力无法有效转移，巷道围岩变形破坏不能有效控制。因此，增加锚索支护外锚结构的强度和刚度，不仅可以大大提高锚梁索的支护性能，而且可以有效阻止围岩压力的卸载，从而有效控制巷道围岩的变形与破坏。

(3)提高锚索支护的可靠性为提高锚索支护的可靠性，必须保证锚索的锚固段始终位于巷道围岩的弹性区内。为此，不仅在安装锚索时，应该将锚索锚固在围岩的弹性区内，而且在锚索的支护期限内，或在巷道的服务期间内，也能使锚索的锚固段始终处在巷道围岩的弹性区内，将巷道围岩表面压力转移至深部。

2.2锚索组合梁的选择

目前锚索组合梁主要采用热压普通槽钢、T3钢带、11号矿用工字钢等。为计算在集中载荷的情况下梁体最大承载能力，作如下假设:锚索间距1m，锚索锁具端视为简支，梁体中部岩体载荷视为集中载荷，示意图见图1。

图1　锚索组合梁受力示意

查相关文献［11－13］，可得各种热压槽钢、工字钢、T3钢带等的断面系数、屈服强度等参数。许用弯矩为:

M =[σs]·Wx(1)

能承受的最大集中载荷:

P = 4M/L(2)

根据上式计算可得，应用较为普遍的槽钢梁(文中以14号b，16号a槽钢为例)，当集中载荷仅为16kN和26kN时梁体即出现了屈服现象，破坏形式主要有穿孔撕裂、扭曲变形等; T3钢带在集中载荷仅为10kN时钢带就出现了屈服破坏，破坏形式主要有弯曲变形、沿锚索孔的撕裂等。

为解决上述梁体强度刚度低、弯曲变形严重等问题，研制了箱型梁。该箱型梁选用矿用7号π型钢与钢板作为基本配件，焊接而成，加工设计图如图2所示。矿用7号π型钢利用电弧炼钢炉冶炼钢水浇注27SiMn钢锭轧制而成，按热处理规范要求，920℃水淬，450℃水冷回火，热处理调质硬度HB300～350，屈服强度σs≥835MPa，σb≥980MPa，有相当高的强度和耐磨性。

图2　箱型梁加工设计示意

综合考虑焊接、断面积、断面系数等因素，确定箱型梁跨距1m时，平均承载能力为150kN，承载能力较14号b槽钢提高8.3倍，较T3钢带提高14.3倍，远大于目前主要应用的各种型号的槽钢梁及工字钢等组合梁，对于提高顶板支护效果，提高锚索外锚强度效果显著。

2.3数值计算分析

采用UDEC3.1离散元数值计算软件对－730～－960m联络斜巷上段巷道围岩应力分布及塑性区范围分区情况进行了计算分析。计算采用平面应变模型假设，即垂直于计算剖面方向的变形为零。模型应用BLOCK命令生成，应用CRACK命令划分各个岩层，应用JSET命令模拟岩体节理。模型宽高均为50m。模型上表面为应力边界，根据埋深施加16MPa载荷用来模拟上覆岩体的自重边界，水平应力参照附近地点地应力测试结果，按垂直应力的1.3倍施加。采用Mohr-Coulomb本构模型，应变模式采用大应变变形模式，模型底部限制垂直移动，模型前后和侧面限制水平移动。为监测巷道围岩应力及位移分布情况，从巷道底板两帮到顶板10m深度范围内，每2m设置1条水平监测线。

图3为巷道中部及顶板各监测线的垂直应力分布曲线。由图3可见，巷道开挖后，顶板10m深度范围内发生了应力重新分布，应力值降低。在巷道两帮4～5m深度内出现了应力峰值24MPa左右，集中应力系数为1.2，5m以远应力逐渐恢复至原岩应力。结合图4塑性区分布可见，在无支护情况下巷道顶板6～7m，巷帮4m范围内均会发生较为明显的塑性破坏，并且塑性范围会随着围岩压力的增长、时间的延长向围岩深部发展，在实际施工中应适当加大锚索锚固深度，确保锚索的锚固段始终处在巷道围岩的弹性区内。

图3　巷道顶板垂直应力分布特征

图4　巷道围岩塑性区分布

3　试验巷道支护方案

巷道顶板及两帮采用锚梁索支护。支护方案见图5。

图5　巷道支护设计方案

锚梁索支护体系由4部分组成:

(1)采用6mm钢筋焊接的钢筋背板背护围岩表面，孔径100mm×100mm。

(2)采用W5型钢带配合锚杆进行支护。锚杆规格22mm×2500mm，锚杆间排距900mm× 900mm，安装扭矩不小于180N·m。W型钢带规格为3100mm×280mm×5mm。巷道半圆部分，钢带沿巷道周向铺设;巷道直墙体部分，钢带沿巷道纵向铺设，相邻钢带相互搭茬。

(3)围岩表面喷浆。锚杆支护施工完成后，对巷道表面喷射混凝土砂浆。砂浆标号C30，喷层厚度50～80mm。

(4)组合式锚索支护。组合锚索由箱形梁与锚索组成，1梁3索。箱型梁长度2200mm，沿巷道纵向布置，与锚杆W钢带十字搭接。沿巷道四周共布置7根锚索，间排距1400mm×900mm，钢绞线规格22mm×8500mm，预紧力120kN。

4　巷道支护效果

为全面分析巷道掘进期间巷道变形规律，在－730～－960m联络斜巷上段试验段与非试验段分别布置了多个测站对巷道围岩变形进行观测。非试验段内锚杆为单体锚杆;锚索参数为22mm× 6300mm，采用T3钢带作为组合梁，其余同试验段，图6 (a)为巷道非试验段巷道围岩变形情况; 图6 (b)为巷道试验段巷道围岩变形情况。

图6　巷道围岩变形观测结果

在非试验段内，观测测站在300d后巷道两帮位移达到850～1000mm，顶底板移近量为1000mm左右，巷道断面收敛严重，从自稳时间来看，90d内两测站均处于剧烈调整阶段，巷道变形速度最大达35mm/d左右，110d后巷道才逐渐趋于稳定，但变形速度仍达到2～5mm/d。试验段内测站在250d后巷道两帮位移基本控制在500mm左右，顶底板移近量基本控制在400mm左右，试验段内巷道支护强度得到提高，围岩变形得到了较好控制，返修工作量显著降低。

5　结论

(1)各类槽钢梁以及T3钢带存在强度、刚度过低的问题，在远未达到锚索支护力的时候出现卸载，严重降低了巷道支护效果。设计并在现场应用了箱型梁，该箱型梁在跨距1m时，集中承载能力达150kN，大幅度提高了梁体的强度及刚度。

(2)采用离散元数值计算软件，计算分析得到试验巷道顶板6～7m，巷帮4m范围内均会发生较为明显的塑性破坏，为保证巷道支护效果，锚索锚固深度必须大于此塑性区深度，即锚固段始终处在巷道围岩的弹性区内。

(3)软岩高地压巷道压力转移支护技术的三个原则:一是尽量减小围岩表面的无背护空间，支护体能够有效收集巷道表面压力，防止围岩压力的卸载;二是增加锚索组合构件和围岩背护体的强度和刚度，避免支护体在锚索支护力远未达到其额定支护力的情况下发生屈服;三是锚索锚固深度必须位于巷道的塑性区范围之外，保证锚索锚固可靠，使围岩表面压力转移到深部。

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［责任编辑:姜鹏飞］

［作者简介］杨永刚(1979－)，男，河北定州人，硕士，助理研究员，主要研究方向为巷道支护及矿山压力控制。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.016

［收稿日期］2014－05－26

［中图分类号］TD353

［文献标识码］B

［文章编号］1006-6225 (2015) 02-0056-04