煤矿复杂条件巷道围岩松动圈支护原理与技术

靖洪文　孟　波（1.中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州221116；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221116）



煤矿复杂条件巷道围岩松动圈支护原理与技术

靖洪文[1，2]孟波[1，2]
（1.中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州221116；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221116）

摘要煤矿复杂条件巷道开挖后围岩松动圈的产生不可避免。通过对大同矿区典型巷道松动圈发育规律现场实测及数值模拟研究，发现：复杂条件巷道围岩大松动圈普遍存在，且具有多阶段、不对称非均匀发育特征，据此提出了大松动圈巷道二次稳定支护原理与“三锚”支护技术，对破裂围岩施加高预紧力及高阻耦合让压特性锚杆是控制复杂应力条件巷道稳定性的有效手段。

关键词复杂条件；松动圈；二次稳定；三锚支护

1　引言

巷道开挖后，围岩由三向应力状态转变成为两向应力状态，并在压力差作用下发生破坏卸荷，产生一定范围的破裂区，这个破裂区被称之为松动圈［1］。松动圈的形成过程是围岩在重分布集中应力作用下结构及强度逐渐劣化的过程，同时也是最大主应力逐步向围岩深部迁移并稳定的过程，稳定后的松动圈厚度综合反映了围岩应力、围岩强度等因素共同作用的结果［2］。

研究表明［3］，松动圈内部围岩破裂程度随着围岩深度的增加而减小，强度阶段逐渐由残余强度阶段过渡为峰后软化段、塑性段，最终为未受扰动的弹性段（图1）。四个阶段中围岩峰后软化段和残余强度段的变形量对煤矿大松动圈巷道围岩收敛变形贡献最大，占75%～95%［4］，这部分变形产生的碎胀力是支护结构承受的主要压力。因此，松动圈越大，破裂围岩在后续压力作用下的碎胀变形量就越大，支护难度就越高，反之支护难度越小，甚至不用支护［5～6］。

松动圈内部围岩虽然处于破裂状态，但破裂块体的强度没有太大损失，它们之间相互挤压、交错、摩擦、嵌固，形成了一定的整体结构强度，使得实际工程现场巷道围岩虽然普遍发育松动圈，但仍然能够保持稳定，不会立即发生失稳［7］。而如果围岩在后续压力作用下没有得到有效的支护，那么松动圈将会持续发展，并最终导致巷道失稳。

图1巷道围岩四区与岩石全应力应变曲线的对应关系

大同矿区侏罗系煤层经历了长期开采后，开采条件日益复杂，空间上采面布置引起的边角煤、极近距离煤层、过煤柱以及生产接替产生的采掘交锋等复杂条件巷道增多，进入石炭系地层后，巷道埋深增加，火成岩侵入巨厚煤层大断面巷道支护导致坍塌冒顶问题也时常发生，巷道松动圈的发育规模、形态及演化规律相对于传统认识出现了新的特点。

2　复杂条件下巷道松动圈发育规律

2.1大松动圈普遍存在

复杂条件巷道是指面临火成岩侵入、地质构造、薄地层分层、低强度岩层等地质条件问题以及过煤柱、极近距离、采掘交锋、孤岛工作面等应力环境问题的巷道。地质条件复杂巷道围岩强度低、结构性差，在围岩应力不大的情况下即可产生大松动圈，如受火成岩侵入影响，石炭系煤层酥松多孔，加之受到构造的影响，在巷道掘进过程中即产生大松动圈，并诱发冒顶事故。应力环境复杂巷道围岩在高集中应力条件下易发生变形破裂，且对工作面回采、老顶破断等应力扰动极为敏感，容易产生大松动圈。如极近距离煤层巷道围岩在上覆煤层采空区煤柱的影响下，应力集中系数可达到5以上，工作面回采扰动叠加后，巷道极易失稳。

采用地质雷达、超声波测试及钻孔摄像综合测试手段，对大同矿区典型复杂条件巷道松动圈进行了现场实测，部分测试结果见表1。结果表明，复杂条件巷道松动圈厚度大多数均超过1.5 m，局部可达3 m以上。这说明虽然大同矿区煤层巷道整体埋深不大，但复杂条件巷道中大松动圈普遍存在，这类巷道支护已经进入大松动圈工程的范畴。

表1大同矿区复杂条件巷道松动圈部分测试结果

另外，对复杂条件巷道而言，即使是在同一条巷道，由于位置不同，松动圈发育范围也会不同。如白洞矿5107巷为过煤柱巷道，进煤柱前10 m范围内围岩变形破裂严重，松动圈最大厚度为2.4 m，其他普通位置松动圈厚度仅为0.8～1.6 m。

2.2松动圈多阶段发育

以往研究表明［1］，条件简单巷道松动圈形成时间一般为3～7天，大松动圈形成时间为1～3个月。应力环境复杂巷道围岩普遍处于高应力水平，应力调整周期较长，形成稳定松动圈的时间较长。根据现场观测，应力环境复杂巷道开挖后形成稳定松动圈的时间一般为5～18天，

巷道围岩松动圈形成并稳定后，破裂区外部主承载区围岩承担峰值应力，而由于受到工作面回采、老顶破断、爆破［8］等因素的影响，主承载区围岩不可避免的要承受应力扰动。现场观测表明，高应力条件下围岩承受扰动载荷后其内部松动圈迅速扩大。大同矿区忻州窑矿5937巷为典型的坚硬顶板巷道，老顶周期来压剧烈，对5937巷开挖至8937工作面回采全过程进行了松动圈观测，截取并组合巷道开挖、工作面回采以及老顶来压三个阶段松动圈发生变化时期内的观测曲线形成（图2）。由图可知，在工作面回采逐渐逼近观测断面过程中，松动圈厚度逐渐增加并趋于稳定，直至老顶来压，松动圈厚度出现突变，一次增加了0.8 m。

图2忻州窑5937巷松动圈观测曲线

2.3不对称非均匀发育

如前所述，松动圈大小是进行巷道支护设计的基础参数，而由于受到地应力场、围岩岩性组成等因素的影响，即使是在巷道同一断面，不同位置松动圈的范围也往往是不同的。通过现场实测发现，松动圈形态受巷道断面形状的影响明显。分别建立圆形、直墙拱形，梯形和矩形四种断面形式巷道计算模型，考察巷道断面对松动圈大小及形态的影响。圆形、直墙拱形、梯形和矩形巷道的松动圈大小及分布范围如下图所示。

图3不同断面形状的巷道围岩松动圈分布特征

从图3可以看出，松动圈存在圆形、蝶形和菱形等形式。圆形巷道围岩松动圈分布形式与巷道断面形状相同，厚度约为1.8 m。直墙拱形断面具有圆形部分使得其帮部和顶板松动圈呈现近似圆形分布，厚度分别为1.8 m和2.1 m，底板松动圈范围大于顶板和两帮，厚度为3 m，松动圈整体仍呈“圆形”分布。矩形断面巷道松动圈总体上呈现菱形分布，即顶底板以及两帮中心位置松动圈厚度较大，厚度均超过了3 m，拐角位置松动圈厚度较小。

3　复杂条件巷道松动圈稳定控制

3.1大松动圈巷道二次稳定支护原理

按照巷道稳定性的常规定义，当巷道开挖后围岩内一点的应力小于相应围岩的强度时，该处围岩没有破坏，认为巷道是稳定的，称之为稳定。当巷道围岩应力达到了围岩强度，围岩发生了破坏，称之为失稳。然而，如果以这样的稳定性条件衡量煤矿大量的巷道，可以发现，它们均处于失稳状态！但是经常的情况是围岩破坏了，巷道仍然处于正常使用状态。可见上述稳定概念不能反映巷道工程稳定的全部问题，这种传统意义的稳定性问题，我们称之为一次稳定问题。这种巷道围岩应力达到了围岩强度失稳现象，称之为一次失稳。它主要取决于原岩应力状态与岩体强度的相对比值。

事实上，尽管巷道已经发生了一次失稳，但是在人工支护条件下，随时间推移，大部分巷道趋于稳定，也有部分巷道可能再次失稳。显然，再次稳定或者失稳均是破裂岩体与支护相互作用结果，这就是二次稳定性问题的力学本质，我们称该稳定性问题为高应力巷道围岩的二次稳定。二次稳定问题是针对围岩在一次失稳后的再次变形与破坏，在此过程中，破裂岩体自身是不能维持稳定的，如果没有合理人工支护结构和强度，它将很快再次失稳。

由前文可知，复杂条件下巷道松动圈发育具有多阶段性和持续性，这就要求锚杆与松动圈内破裂围岩形成的加固圈不仅仅要为内部关键承载岩体提供支护阻力，更重要的是要提供持续的高支护阻力。解决这个问题目前有两种途径，第一是多次支护，即巷道初次支护完成后，待松动圈再次扩大稳定后实施二次支护。第二种途径是开发高阻（恒阻）、具有让压和抗大变形功能的支护新材料，如高阻耦合让压锚杆和恒阻大变形锚杆［9］，通过这些新材料既可以适应松动圈的碎胀变形，又可以持续高效的抵抗碎胀力。

3.2大松动圈巷道围岩“三锚支护”技术

复杂条件巷道松动圈发育范围大，支护难度大，一般单一支护难以奏效。常规锚网支护可以增强破裂围岩整体强度，通过施加高预紧力，在一定间排距条件下能够形成组合拱（梁）承载结构［10］，但如果锚杆强度低、预紧力小，这种结构的可靠性将大打折扣［11～12］，对于复杂条件巷道大松动圈，存在冒顶的风险。同样的，锚注支护虽然通过注浆提高了破裂围岩强度，改善了围岩受力状态，但由于其加固范围有限，仍然存在不足。相对于前两者，锚索控制范围较大，但施工密度无法满足破裂围岩稳定性要求。因此，单一支护手段无法满足复杂条件下大松动圈巷道围岩稳定控制的要求。

“三锚支护”指的是将锚杆支护、锚索支护以及锚注支护联合使用，取长补短，实现三者之间有机的耦合。通过锚注技术改善破裂围岩物理力学参数，恢复三向受力状态，使离散的破裂围岩恢复成为整体结构，高强度、高预紧力锚杆支护将浅部围岩组合成为拱（梁）结构，而后施加大直径高强锚索支护将拱（梁）结构悬吊至稳定围岩位置，减小了浅部围岩锚杆锚固拱（梁）结构的跨度，形成了更大范围的拱（梁）结构，有效增加了复杂条件大松动圈巷道的稳定性。

3.3关键部位强化支护技术

由松动圈观测结果可知，复杂条件巷道松动圈发育具有不对称和非均匀特征。若使用相同的支护参数，则有可能出现巷道局部某个或某几个位置破坏，进而诱发支护结构整体失稳的情况，这些首先发生变形破坏的部位称之为巷道稳定控制的关键部位。因此，对于复杂条件巷道要进行动态、关键部位强化支护，而非设计单一的支护参数，这样不仅可以提高巷道稳定安全系数，同时也可避免不必要的材料浪费，降低支护成本。

4　结论

松动圈理论自上世纪八十年代提出以来，广泛应用于煤矿巷道支护领域。本文对大同矿区应力及地质复杂条件巷道进行松动圈发育规律现场实测及数值模拟，研究发现：大同矿区复杂条件巷道围岩松动圈发育范围普遍超过1.5 m，处于大松动圈工程范畴。巷道围岩在高应力下受老顶破断、爆破等采动影响导致松动圈发育具有多阶段性特征，并非静态固定值。巷道断面的影响使松动圈发育具备了不对称非均匀发育特征，围岩破坏往往始于局部，在得不到有效控制的情况下最终失稳。针对复杂条件下巷道松动圈出现的新特点，提出了大松动圈巷道二次稳定支护原理与“三锚支护”技术，对破裂围岩施加高预紧力及高阻耦合让压特性锚杆是控制复杂应力条件巷道稳定性的有效手段。

参考文献

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［12］康红普，王金华，林健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析［J］.岩石力学与工程学报，2010，29（4）：649-662.

靖洪文，男，1963年生，山东冠县人。博士后，教授，博士生导师。主要从事岩石（体）力学与工程，巷道围岩控制理论与锚固技术领域的科学研究工作。

Surrounding Rock Fracture Zone Supporting Principle and Technology of Roadway under Complex Conditions in Coal Mine

Jing Hongwen1，2Meng Bo1，2
（1.Institute of Mechanics and Architecture Engineering，China University of Mining and Technology；2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，Xuzhou，Jiangsu 221116）

Abstract：The appearance of surrounding rock fracture zone is inevitable after mining roadways with complex condi⁃tions. By the field tests and numerical simulation for the fracture zone development rules of the typical roadways in Da⁃tong mine area，the result shows that roadways with complex conditions always have big size of fracture zone which has the characteristics of multi-stage and asymmetry. Secondary stability supporting principle and tri-anchorage supporting technology for roadway with big size of fracture zone are proposed accordingly，controlling roadway stability with complex stress conditions can be efficiently improved by increasing preload and using high impedance coupling pressure charac⁃teristics of bolt for broken surrounding rock.

Keywords：complex condition；fracture zone；secondary stability；tri-anchorage supporting

收稿日期：2016-03-20

作者简介

基金项目：国家自然科学基金（51374198、51504237）

中图分类号TD353+.6

文献标识码A

文章编号1000-4866（2016）02-0001-04