破碎围岩巷道支护研究

张 强

(1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.西勘正兴岩土工程有限公司，成都 610000)

破碎围岩巷道支护研究

张 强1，2

(1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.西勘正兴岩土工程有限公司，成都 610000)

针对布置在构造带中的巷道其围岩通常比较破碎，采用锚喷索支护操作难度大、支护效果不理想等问题，分析研究了破碎围岩巷道支护的技术并对巷道注浆材料、设备进行选型，采用数值模拟的方法对注浆加固并支护后巷道变形进行模拟，确定了巷道支护参数。

巷道支护；数值模拟；注浆加固

由于煤层赋存环境有时较为复杂，许多巷道掘进时不可避免的要穿过地质构造带。通常情况下，地质构造带围岩及煤体在构造应力的作用下节理裂隙比较发育，围岩比较破碎。采用锚杆支护或金属支架支护方式，容易出现破碎围岩的冒落，一旦出现了煤岩体冒落，支护体与围岩间容易形成空隙，支护体无法提供主动支护或有效约束力，造成支护失效。

方新秋教授提出了二次支护的方法控制围岩变形，先采用U型可缩性支架支护，再采用锚注与锚网梁索联合支护，使注浆为锚杆锚固作用提供了发挥的平台[1]。肖同强采用数值模拟的方法分析了围岩应力状态的变化及分布形态，得到了断层附近破碎围岩煤巷锚杆围岩支护稳定性机理[2]。目前，在破碎围岩巷道支护研究方面，注浆加固是一种重要的途径，这是因为一方面围岩在注浆加固之后不会再冒落，支护体支护力可以通过巷道表面传递到巷道深部，另一方面注浆加固有效改善了围岩整体的力学性质，提高了围岩的自承能力。

本文对构造带围岩及煤体破碎的破坏过程进行分析，说明了采用注浆加固加锚网索支护的原理。对现场注浆设备与材料进行选型，通过数值模拟的方法并对注浆加固后巷道支护方式进行方案比较，最终确定了锚杆合理的支护方案。

1 地质概况

乐安煤矿15号煤层平均厚为7.3 m，煤层夹矸厚度约0.2 m，赋存稳定。煤层上部顶板岩层为煤层与泥岩的互层，此部分岩层厚1.7 m。基本顶岩层主要由厚度4.33 m的黑灰色的石灰岩岩层构成，煤层底板由厚度1.25 m的沙质页岩岩层构成。图1中列出了乐安煤矿取芯得到的煤层综合柱状图。

图2所示为15号煤层三采区15302工作面采掘巷道布置平面图。

在回采工作面划定的区域内，煤层呈向斜布置，巷道位于该向斜构造带内，巷道掘进时发现距离开切眼200 m左右160 m范围内巷道围岩破碎严重，存在三条断层，巷道难以支护。

2 破碎围岩巷道加固机理

2.1 破碎围岩形成机理

根据煤矿巷道围岩破坏引发机理的不同，围岩破坏形式可分为两类，即由于结构面的存在或地质弱面的存在而引发的破坏和地应力引发的破坏。其中，原始地应力包括重力场应力及地质构造应力[3]。重力场应力导致上覆岩层的载荷向支护体的传递。构造应力使岩层发生了很大的弹性形变和塑性形变，从而形成了各种地质构造。构造应力的方向通常是以水平方向的应力为主，在水平方向的应力作用下，煤层及煤层顶板、底板容易发生剪切破坏。与重力场产生的自重应力相比，构造应力产生的规律更为复杂，其在时间和空间上有很大差异，巷道顶底板的稳定性主要受水平应力大小的影响[4]。

据此对乐安矿三采区顺槽破碎围岩进行分析。15号煤顶板为泥岩，底板为页岩，为软硬相间组合。在水平挤压力作用下，顶底板岩层产生滑动，底板软岩形成褶皱，而顶板脆性岩石在构造应力作用下被破坏，形成局部破碎。构造水平应力示意图，见图3。

2.2 破碎围岩巷道加固机理

电机尺寸较小，空间非常紧凑，结构布置必须合理，需要将各零部件尺寸都尽量压缩。壳体采用不锈钢结构，保证强度的同时能得到较大的内部空间。磁旋转编码器为非接触式，定转子分开，虽然径向尺寸很小，但轴向尺寸并不小，较占空间。磁旋转编码器的转子为光滑圆柱结构，需固定在电机转子上。电机为双方向旋转，编码器转子固定时需考虑防松装置。该电机是制作专用护套一端将编码器转子固定在其腔体内，另一端通过内螺纹嵌入钢丝螺套固定在电机转子上。霍尔采用立焊结构，霍尔传感器金属面平行于电机轴线，这样可以节省径向空间，同时用专用支架将霍尔元器件固定，作为保护。轴承采用法兰轴承以减小轴向空间的占用。

一般来说，单一的破碎型巷道可以通过喷浆、金属钢梁、锚杆支护的一种或几种得到很好地维护[3]。但是，由于此时回采巷道不可避免的要受到工作面超前支承压力构造应力的影响，巷道维护通过锚喷架中的一种已难以实现。因此考虑先采用注浆加固对岩体中裂隙进行闭合、加固，再在此基础上加锚网索的支护方式对破碎围岩巷道进行支护。

破碎围岩巷道存在的基本问题是围岩不完整，破碎的围岩容易冒落，导致支护体和围岩不能有效接触，有时形成点、线接触，支护体实际未对围岩提供有效的支护力，造成进一步破坏。注浆加固可以将围岩固结在一起，保证围岩的完整性，使支护体可以对巷道进行有效的支护。另一方面，通过注浆的方式可以有效的增加围岩的力学性能和自承能力，从而降低了支护的难度。锚网索支护可以提供径向约束，从而实现巷道的支护[5-6]。

2.3 注浆技术参数

根据目前国内的材料及装备水平，结合矿井实际情况对注浆的设备及材料进行了选择，选型情况如下[7]：

选用525号普通硅酸盐水泥，并添加3%～5%浓度为45Be的水玻璃。水泥浆水灰比范围：0.75∶1～1∶1。

3 破碎围岩巷道支护方案

3.1巷道支护技术分析

采用注浆加固的方式对围岩的整体性质进行加强，配合锚网索联合支护的主动支护方式进行支护设计。

注浆加固可以提高围岩的完整性，提升围岩自承能力[8]。此外，注浆可以使锚杆、锚索在围岩深部锚固端与围岩粘结，从而形成承载圈。注浆可以提高节理间的摩擦力，从而降低围岩对锚杆、锚索的剪切力，避免锚杆、锚索破坏[9]。

金属网可以使破碎的岩块在金属网作用下不会冒落，而是相互挤压，并在锚杆锚索的悬吊的作用下使产生于围岩深部锚固作用力传递到金属网上，从而形成主动支护的效果，防止顶板进一步破坏。

3.2 巷道支护数值模拟

图4为排距0.8 m时工作面前方不同位置处锚杆锚索支护后顺槽围岩应力分布图。

图5为锚杆排距不同时顺槽顶底板移近量，图6为锚杆排距不同时顺槽顶底板移近量，图7及图8表示距离工作面不同位置处顶板离层值曲线。

结合图5、图6、图7及图8能够看出，排距为0.8m时的支护方式能够有效减小巷道围岩应力，进而有效地减小巷道顶底板移近量。在巷道两帮进行支护可以有效地提高巷道两帮的围压，进一步增强围岩残余强度，从而能够改善巷道两帮围岩所受应力的状态。帮脚的支护提高了该处水平应力，使围岩破坏程度减轻。

由图7、图8可以观察到，锚固范围内顶板离层量无明显变化，图4所示支护方式支护参数的选择是合理的。

4 结论

1）通过对构造带形成理论分析得到了乐安煤矿围岩破碎的机理：煤层顶板、底板为软硬相间的岩层组合，在水平构造应力作用下，底板软岩形成褶皱，而顶板脆性岩石在构造应力作用下被破坏，形成局部破碎带。

2）提出了破碎围岩巷道支护的难点：破碎的围岩的冒落导致支护体不能对围岩提供有效的支护，而注浆加固可以将围岩固结在一起，使支护体可以对巷道进行有效的支护。

3）合理的注浆加固可以很大程度改进围岩力学性质，从而提高围岩的自承能力，为锚网锁支护提供了可行的前提；锚网索支护可以提供径向约束，提高巷道围压，从而提高巷道围岩残余强度。因此采用注浆加固加锚网索支护的方式支护巷道。

4）数值模拟的结果最终确定了经注浆加固的破碎围岩巷道的支护参数。

[1]方新秋，赵俊杰，洪木银.深井破碎围岩巷道变形机理及控制研究[J].采矿与安全工程学报，2012，29(1)：1-7．

[2]肖同强，柏建彪.断层附近煤巷锚杆支护破碎围岩稳定机理研究[J].采矿与安全工程学报,2010,27(4):482－486.

[3]侯朝炯，马念杰，康红普，等.巷道围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社，2013:392.

[4]武鹏飞.构造破碎带中煤层巷道支护技术研究[D].太原:太原理工大学，2010．

[5]康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007:338-343.

[6]高有存.围岩松动圈支护理论在破碎巷道修复中的应用[J].山东煤炭科技,2008(2):1-3.

[7]冯志强.破碎煤岩体化学注浆加固机理分析及应用[J].煤炭科学技术,2008,36(10):32-35,58.

[8]黄庆显.高地应力巷道锚喷注二次支护的研究和应用[J].中州煤炭,2006(2):11-12.

[9]崔伟，李扬飞.高应力裂隙围岩巷道控制中的锚注支护技术研究[J].山东煤炭科技,2007(4):75-77.

Roadway Supporting Study in Roadways with Broken Surrounding Rock

ZHANG Qiang1,2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2. Zhengxing Geotechnical Engineering Co.,Ltd.,China Southwest Geotechnical Investigation&Design Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610000,China)

Because of broken surrounding rock of roadways located in tectonic zones,anchor-boltshotcrete supporting operation is difficult and supporting effect is poor.On the supporting technology analysis in the roadways with broken surrounding rock,grouting materials and equipment are selected. Numerical simulation is used to simulate the deformation after the grouting reinforcement and determine the supporting parameters for the roadways.

roadway supporting;numerical simulation;grouting reinforcement

TD353

A

1672-5050（2015）01-0041-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.014

（编辑：刘新光）

2014-11-16

张强(1982-)，男，山西太原人，在读工程硕士，助理工程师，从事地质研究工作。