复杂应力影响下大巷支护技术研究

张 超

(晋城煤业集团 寺河煤矿，山西 晋城 048019)

·试验研究·

复杂应力影响下大巷支护技术研究

张 超

(晋城煤业集团 寺河煤矿，山西 晋城 048019)

以山西晋城煤业集团公司寺河矿二号井97采区盘区97102巷为工程背景，对巷道在原有支护方式下围岩的变形进行分析，提出了预应力"鸟窝"锚索、蛇形锚杆、金属网联合支护技术。该技术的研究结果表明：提高了支护系统对巷道围岩的支护效果，巷道两帮移近量仅为原支护方式的三分之一，顶底板移近量为原支护方式的70%；巷道围岩的整体性及抗变形能力得到极大地提高，并为巷道锚杆支护设计提供了新的依据。

“鸟窝”锚索；蛇形锚杆；联合支护；抗变形能力

矿井开采深度逐渐增大，巷道围岩较浅部的变形、失稳及破坏现象更加明显，过去单一的支护方式将无法满足深部巷道支护的需要，因此有必要采用组合支护形式。我国许多专家学者对组合支护形式进行了研究。将耦合支护技术应用于软岩复合顶板突出煤层巷道，有效解决了巷道的支护问题[1]；康虹等[2]采取锚网索支护技术解决深部松软破碎煤层巷道支护问题；牛福龙[3]将锚杆锚索变形匹配技术应用于巷道支护；李书民等[4]将锚网索联合支护技术应用于深部回采巷道中；何宗礼等[5]用预应力协同支护技术解决这类高应力破碎围岩巷道的支护问题；在锚杆-锚索支护协同设计时，只有使锚索与锚杆协同配合，才能使锚杆、锚索预应力协同支护的效果达到最优[6]. 基于此，本文以山西晋城煤业集团公司寺河矿二号井97采区97102盘区大巷高强锚杆、锚索联合支护为研究对象，以提高巷道稳定性，减少巷道围岩的变形量。

1 工程概况

97102巷为山西晋城煤业集团公司寺河矿二号井97采区盘区大巷，巷道上部3#煤为小煤窑破坏区，东为已掘进的97102巷；西为实体煤；南为实体煤；北为实体煤。97102巷断面呈矩形，掘进宽度为5.2 m，高3.2 m，掘进断面积为16.64 m2.

9#煤层位于石炭系太原组中部，含夹矸0～2层，直接顶板为3.3 m粉砂岩，局部地段为石灰岩，老顶为5.3 m的细砂岩，底板为0.8 m的石灰岩。9#煤层顶部距3#煤层51 m左右。9#煤层较稳定，煤层厚度平均为1.42 m，平均倾角为5°，煤层结构简单。

2 巷道原支护方式及巷道变形观测

2.1 巷道原支护方式

97102巷主要采用锚网索梁联合支护，钢筋托梁采用d12 mm钢筋焊接而成，宽度100 mm，长度2 300 mm、4 700 mm.

顶板：锚杆排距1 200 mm，间距1 100 mm/1 200 mm，每排5根锚杆；锚索排距为2 400 mm，间距为2 400 mm.

两帮：锚杆排距1 200 mm，间距1 100 mm，锚杆距顶距离为500 mm.原支护方案见图1.

图1 原巷道支护示意图

2.2 巷道变形观测

为观测巷道的变形规律，为下一步对巷道支护方式改进提供依据，采用“十字”布点法观测巷道表面变形。沿大巷掘进方向每掘进50 m布置一个测试断面。原支护方式巷道表面位移见图2.

图2 原支护方式巷道表面位移曲线图

由图2可以看出，原有支护方式下，巷道两帮移近量为550 mm，顶底板移近量为101 mm. 巷道围岩的变形量大，该巷道条件不能满足矿井的正常生产。因此，对原支护方式进行改进，提高巷道的支护效果，降低巷道的维修成本是很有必要的。

3 巷道围岩变形分析

97102巷受到上覆3#煤层开采时留下的残留煤柱、断层等地质构造以及回采动压等多重因素的影响，巷道矿压显现比较明显。

巷道在受到上覆残留煤柱的应力集中影响后，应力通过顶板传送给巷道围岩，通过巷道顶底板及两帮释放出来，导致巷道围岩发生变形，特别是巷道两帮的变形量较大。

围岩既是被支护的对象，又是支护体的一部分。锚杆支护必须把围岩和锚杆系统作为一个整体考虑。合理的支护设计必须保证围岩整体性的前提下具有一定的变形让压性能，从而保护支护体具有变形耦合和让均压能力。根据传统理论，围岩应力-变形特性曲线见图3.

图3 围岩应力和变形特性曲线图

在静压力条件下，从图3可以看出，从支护角度将曲线分为3个区：

1) A区：围岩处于弹性变形阶段，围岩整体性较完好，变形量小。支护体的工况点应设在低位(60 t/m)，锚杆支护系统应该具有最小让压距离20 mm.

2) B区：围岩基本处于弹塑性变形阶段，基本保持稳定，弹塑性变形区没有超过锚杆的支护范围，锚杆系统仍然起到支护作用。

3) C区：围岩破坏，支护系统承受破碎岩石的静载荷。若锚杆系统的支护范围小于破坏范围，则锚杆系统受力将变为0，彻底失去其支护作用，锚杆支护系统将与围岩一起移动。

支护系统应达到保证巷道长期稳定、适应回采工作面的动压需求及地质条件变化的目的。因此需在原有巷道支护技术的基础上对其进行改进，特别是对锚杆、锚索进行改进，提高其抗变形、让压性能，可以提高对巷道的支护效果。

4 改进后巷道支护方式及巷道变形观测

在上述理论的基础上，对锚杆进行改进，采用蛇形锚杆，提高锚杆的可变形性、让压性能，见图4；采用快装高预应力“鸟窝”锚索，提高锚索的锚固力、锚固范围及让压性能，见图5.

图4 蛇形锚杆示意图

图5 快装高预应力“鸟窝”锚索示意图

4.1 巷道改进后支护方式

改进后的巷道支护方式为：预应力“鸟窝”锚索、蛇形锚杆、金属网联合支护。

顶板：锚杆排距1 200 mm，间距1 100 mm，每排5根锚杆，锚杆150 mm×150 mm×8 mm高强托盘；锚索采用“三花”布置，排距为2 400 mm，间距为2 200 mm，300 mm×300 mm×10 mm高强托盘。

改进后的支护方案见图6.

图6 改进后的巷道支护示意图

4.2 支护方式改进后巷道变形观测

为观测巷道的变形规律，确定改进后的支护方式对巷道的支护效果，采用“十字”布点法观测巷道表面变形。沿大巷掘进方向每掘进50 m布置一个测试断面。支护方式改进后巷道表面位移见图7.

图7 支护方式改进后巷道表面位移曲线图

由图7可以看出，对支护方式进行改进后，巷道围岩变形在距工作面100 m后趋于稳定，巷道两帮移近量为170 mm，顶底板移近量为70 mm. 巷道围岩的变形量较原支护形式有大幅的降低，巷道两帮移近量仅为原支护方式的1/3，顶底板移近量为原支护方式的70%，取得了良好的支护效果。

5 结 论

本文提出了预应力“鸟窝”锚索、蛇形锚杆、金属网联合支护技术，该技术提高了支护系统对巷道围岩的支护效果，巷道两帮移近量仅为原支护方式的1/3，顶底板移近量为原支护方式的70%，保证了巷道长期正常安全使用；通过该技术巷道围岩的整体性及抗变形能力得到极大地提高，有效地解决了复杂应力影响下巷道支护技术难题，并为巷道锚杆支护设计提供了新的依据。

[1] 黄 锐，郭 琪，马 驰，等.大变形巷道弹性锚喷混凝土耦合支护技术研究及应用[J].中国安全科学学报,2012,22(7):95-100.

[2] 康 虹，胡尚斌，陈 建，等.复杂地质条件下回采巷道锚网索支护参数优化研究与应用[J].科技与创新,2015(20):84-85.

[3] 牛福龙.锚杆锚索变形匹配技术在巷道支护中的应用[J].煤炭科学技术,2010,38(6):29-33.

[4] 李书民，孙小岩，白杨杨.深部回采巷道锚网索联合支护技术实践[J].煤炭科学技术,2012,40(1):39-41.

[5] 何宗礼，陈高君.煤矿深部巷道预应力协同支护技术研究[J].煤炭科学技术,2013,41(3):35-38.

[6] 李春生.深部大巷围岩支护优化设计研究[J].机械管理开发,2015,30(7):33-36.

ResearchonSupportTechnologyofRoadwayinInfluenceofComplexStress

ZHANGChao

Taking the engineering of No.97102 roadway in Sihe mine, Jincheng coal industry group, Shanxi Province as the case for research. After analyzing the original surrounding rock deformation, the paper proposed the joint support scheme of pre-stress "bird's nest" plus anchor, snake shaped bolt and metal net comprehensive technology. The results showed that the two sidewall deformation reduced by 2/3 and the convergence between roof and floor decreased by 30% respectively compared with the originals. This technique improved the effect of support system on roadway surrounding rock, increased the integrity of surrounding rock and its ability to resist deformation, and provided a new basis for support .

Bird's nest anchor; Snake shaped bolt; Combined support; Deformation resistance

2017-08-16

张 超(1988—)，男，山西晋城人，2011年毕业于河南理工大学，助理工程师，主要从事煤矿生产技术管理工作

(E-mail)liuchengwei0128@163.com

TD353

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1672-0652(2017)11-0039-04