深部煤巷稳定性锚网耦合支护一体化控制技术

丁良臣

摘 要：要维持巷道及支护体的稳定，必须保证支护体与围岩的耦合，同时，在最佳支护时段内实施支护，此时的支护荷载为软岩巷道最小支护荷载，即软岩巷道耦合支护荷载。

关键词：深部煤巷；稳定性；锚网耦合支护一体化

深部巷道稳定性问题是研究开挖后的围岩工程地质系统与支护系统相互作用达到二次稳定的复杂力学问题。巷道开挖后，原有的三向应力平衡状态被打破，变为双向应力状态，围岩应力进行重新调整和分布，完整性较差的围岩很快就会进入塑性、粘塑性和流变大变形阶段，如果此时支护体和围岩之间出现强度、刚度和结构上的不耦合，会加速围岩的变形破坏，出现大面积的顶帮下沉、臌帮等现象。

考虑到锚固体和围岩的机械作用，锚杆与围岩的组合系统可以被分成两个平衡体：一个是没有锚杆支护的原始岩体，另一个是施加锚杆轴力作用的组合系统，实际锚杆的作用是两个系统综合作用的结果。

1 锚杆与围岩耦合作用分析

传统的组合拱设计观点认为，巷道围岩注入锚杆后所形成的组合拱厚度与锚杆的间排距、锚杆对岩体的控制角α有关（图1），一般α取45°。根据数值模拟研究结果，α的取值及锚杆调动岩体的范围应根据锚杆围岩的耦合程度来确定。

由于岩体开挖，顶部岩体要向下移动、变形，下部岩体和上部岩体的变形大小是不同的，锚杆的存在，增大了岩体整体的刚度，使岩体的变形更加协调，下部岩体变形比上部岩体的变形要大的多，此时锚杆就处于一种受拉状态，当锚杆顶端深入稳定岩体中时，锚杆对于下部岩体起着悬吊作用。

2 锚网与围岩耦合作用机理分析

锚网和围岩的耦合作用十分重要，过强或过弱的锚网支护，都会引起局部应力集中而造成巷道破坏。只有当锚网和围岩强度、刚度达到耦合时，变形才能相互协调。达到耦合的标志是围岩应力集中区在协调变形过程中，向低应力区转移和扩散，从而达到最佳支护效果。

2.1围岩集中应力区向低应力区的转移现象

数值模拟研究结果表明，在巷道掘进初期，巷道围岩顶部应力迅速集中，是巷道垮落危险区域；在实施锚网耦合支护后，顶部应力集中区迅速下降，而帮部低应力区应力状态迅速提高，整个围岩不同部位应力状态趋于均匀化。由此可见，实施锚网耦合支护技术以后，围岩支护状态从开放环境到封闭力学环境，围岩集中应力区向低应力区发生了转移和扩散，整个应力扩散均匀化过程是通过锚网耦合设计自动实现。

2.2围岩应力场和位移场的变化

随着围岩受力由集中应力区向低应力区转化，锚杆受力趋于均匀化，围岩的应力场和应变场趋于均匀化。

3深部巷道底臌控制技术

深部巷道由于受采掘扰动，引起围岩的应力状态发生变化，使顶板和两帮岩体发生变形并向巷道内位移，底板岩体向巷道内位移发生底臌。强烈的底臌不仅带来大量的维修工作，增加了维护费用，而且影响生产活动无法正常进行。深井煤巷的底臌问题一直是困扰煤矿生产中的重大难题。

3.1 深部煤巷的底臌特征

深部巷道的底臌主要表现为以下主要特征：

（1）底板岩体强度比较低。特别是当巷道底板节理裂隙比较发育、受到水和风化的影响，导致底板岩石向邻空侧的位移量大。

（2）深部煤巷对应力的变化比较敏感。在一定的地质生产条件下，巷道底臌可能表现得并不明显。但随着巷道埋深得增加或受到开采扰动后，應力达到一定值，底板岩石会大量向巷道内鼓出。从姚桥矿的煤巷底臌量最大达到1.5～2.0m，成为巷道支护中的难题。

（3）深部煤巷的底臌具有明显的流变性。具体表现为底臌的初始速度大，之后逐渐趋缓并过渡到比较稳定的阶段。底臌速度趋于稳定的时间比较长，而且在稳定状态下，底板岩层仍以一定的速度向巷道内移动。当总的底臌量超过一定数值后，底臌数率还会再度增大。

4 深部煤巷的底臌控制技术

巷道底臌的控制技术很多，主要有底板卸压、锚杆加固、封闭底板、底板注浆加固以及加强帮角等。针对深部煤层巷道的掘进和使用特点，采用三级控制底臌变形。采用锚网索耦合加固顶板，锚网耦合加固帮部，采用45°底角锚杆对底角进行加固，在理论上和实践上都是较为可行的方法。

（1）一级控制：锚网索耦合加固顶板

深部煤层巷道的底臌多为上覆岩层的压力通过两帮传递到底板引起的。锚索关键部位耦合支护，将上覆不稳定岩层悬吊到深部稳定岩层，利用深部围岩强度，减小传递到底板的上覆岩层压力，从而避免或减轻底臌的发生。

（2）二级控制：锚网耦合加固帮部

锚网耦合支护控制巷道帮顶围岩，形成自承能力较高的承载拱，以控制围岩塑性区的发展。深部煤巷在高地应力作用下，两帮压力增加，煤体的破碎区域扩大。如果帮部在支护体强度、刚度和结构上与围岩不耦合，就会出现巷道变形加剧，表层煤体破碎区域扩大，出现实际跨度增加，沿空侧巷道会出现煤柱有效承载面积降低等现象。由此一方面导致加速下沉顶板，同时，由于煤柱的压模作用，加剧底臌变形。

（3）三级控制：锚杆加固底角

根据底臌防治理论和现场试验表明，在巷道的底部增设底角锚杆，可以有效地提高底板的稳定性，防止底臌的发生，实践证明是可行、适用的方法。底角锚杆主要起到以下几个方面的作用：

① 通过底角锚杆，在巷道角部形成自承能力较高的承载拱，可以减弱巷道底角部应力集中程度，以控制底角围岩塑性区的发展。

② 提高巷道底角部围岩的强度，减小两帮的塑性变形。

③ 通过增打底角锚杆，可以有效切断来自巷道两侧的高应力滑移线，消弱来自巷道两侧的挤压应力，有效控制底板鼓出变形。

5总结

因此，软岩巷道耦合支护参数就是巷道在支护体与围岩耦合支护条件下，由软岩巷道耦合支护荷载所确定的支护参数。软岩巷道耦合支护参数包括初次耦合支护参数和二次耦合支护参数。

【参考文献】

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