深部巷道锚杆支护失效机制及支护对策分析

蔡迎超

（山西焦煤集团霍州煤电集团有限公司吕梁山公司方山木瓜煤矿，山西 吕梁 033199）

0 引言

由于煤炭在我国有着悠久的开采历史，赋存条件和地质状况较好的煤炭资源已近消耗殆尽，并且国民经济对能源需求急剧增加，导致开采深度越来越大。随着埋深的增加，巷道的掘进和支护将面临越来越严峻的问题，埋深大的岩石更为软弱破碎，导致巷道围岩难以自稳，支护系统承担更大的压力，巷道具有更大的形变，支护难度增加。目前，深部巷道占我国巷道综掘进量的29%左右，这类巷道的返修率高达70%[1]，给煤矿采掘造成大量的人力、物力消耗，是目前迫切需要解决的问题。

1 深部巷道矿压显现特征及围岩变形破坏分析

与浅部巷道相比，深部巷道的矿压显现特征表现为：①深井巷道变形量一般都能达到甚至超过500mm，巷道围岩破裂区也比较大，通常为4m以上，塑性区的宽度有时候能达到10m以上；②在深部由于巷道围岩变形周期更长，导致巷道支护与维护时间更长；③深部巷道的各向异性、构造的复杂性以及应力的不均匀分布，使巷道的变形呈现更大的不确定性和不规则；④巷道支护通常只是对顶板和两帮的支护，而底板处于未支护状态，不利于承压拱的形成，也不利于提高围岩的自承能力，深部巷道常出现底鼓形式的变形，底鼓在顶底板移进量中占三分子二以上。

开挖导致巷道周围岩石内的应力在浅部不均匀分布，出现应力集中区[2]。若集中区的应力超过岩石强度，则巷道围岩就会破碎，形成通常所说的塑性区松动圈，如图1所示。

切向应力是在巷道断面较大时影响围岩稳定性的关键性因素，以往经验表明，当巷道围岩所受应力大于其单轴抗压强度时，就很可能会发生破断失稳。切向应力由原始应力转化得来，成正相关，而原始应力又与埋深有着密切的联系。

图1 巷道周边岩体内的应力分布情况

随着巷道掘出时间的增加，塑形区逐渐向周围岩体内部扩展，围岩的位移变形也在进一步增加。当巷道围岩变形过大时就会威胁到岩体原本的自稳结构，使周围岩体作用于支护结构上的挤压力增加，在支护体的作用下围岩又重新趋于稳定。但是当支护结构与围岩作用的周期及其变形不相适应时，围岩松动圈扩大导致支护体遭到破坏，巷道发生冒顶、片帮等事故。

图2 巷道围岩稳定性随时间变化的关系

2 深部锚杆支护巷道破坏形式及锚杆失效原因分析

2.1 深部锚杆支护巷道破坏形式

实践工程中，深部锚杆支护巷道的破坏形式常表现为：

1）在巷道顶板岩石比较破碎的情况下，锚杆不能有效的加固巷道顶板浅部的破碎围岩，锚杆端部附近的岩石发生小范围冒落，从而形成小的冒落拱，如图3（a）、3（b）所示。

2）对于顶板岩层离层严重，锚固体形成复合形式或镶嵌型结构的离层性巷道顶板，锚杆的失效会使顶板大范围整体性垮落，如图3（d）所示。

3）当巷道两帮煤岩体的力学性质比较低，整体性不强时，巷道发生破坏如图 3（c）、3（e）、3（f）所示。

图3 深部锚杆支护巷道常见破坏形式

2.2 锚杆支护失效原因分析

根据上述常见的深部锚杆支护巷道的破坏形式，总结锚杆支护失效的原因包括：

1）锚杆各种参数的选择和设计不符合实际。当锚杆的设计强度不足时，就不能使巷道围岩及支护系统形成稳定的承载结构，巷道的变形得不到有效控制，就会影响煤矿的正常生产。但是过于要求锚杆的安全性能，也会使支护成本大大增加。

2）锚固失效。当上覆岩层中发育有较多的结构弱面时，巷道顶板上部围岩将发生错动等局部破坏，导致锚固岩层中锚杆的锚固力急剧减小，引起锚固失效，最终可能导致巷道大范围冒顶。

3）粘结失效。锚杆通过锚固剂与围岩联结为一个整体，如果粘结材料与锚杆杆体之间发生了相对滑移错动，锚杆就会丧失加固围岩的作用，即发生粘结破坏。锚杆锚固力的大小由粘结材料与锚杆间的粘锚力决定，试验得出不同材质锚杆与常见煤层伴生岩体的锚固力见表1。

表1 不同材质锚杆与常见煤层伴生岩体的锚固力

由表1的试验数据可以看出，不同形式的锚杆与不同围岩之间锚固力的大小不尽相同，因此当进行巷道支护的锚杆、锚索锚固段长度参数设计时，应充分考虑围岩的力学性质，选择合理的锚杆材质来实现足够的锚固力，通过控制锚固力的大小来提高锚杆的支护性能[3]。

4）托盘失效。锚杆安装时通过托盘施加一定的预应力，改变岩体的受力状态，将围岩更好的联结为一个承载体，充分发挥锚杆的作用，如果托盘安装不合理，会严重影响锚杆的支护效果[4]。有无托盘对应锚杆的轴力与剪力如图4所示。

图4 有无托盘对应锚杆的轴力与剪力图

3 深部巷道锚杆支护原则及对策

为了有效控制深部巷道围岩的变形与破坏，在进行锚杆支护设计及施工过程应遵循以下原则：①及时支护原则，即巷道支护要紧跟掘进作业，及时对巷道进行有效支护，使围岩充分发挥其自承载作用；②主动支护原则，即对深部巷道支护主要采用高强度锚杆（索），利用锚杆（索）的主动支护作用将围岩固化为一个整体，从而提高围岩的自承载能力；③有效支护原则，即严格保证巷道支护工程质量，确保锚杆（索）支护后能达到设计的锚固力与预紧力，对于失效的锚杆（索）要及时进行补打，确保整个支护体系始终处于良好状态；④动态支护原则，即根据巷道工程地质条件合理进行巷道支护参数设计，巷道支护设计是一个动态的过程，并不是一次完成，因此需加强巷道围岩变形等矿压观测，及时收集矿压数据，并对所提出的支护参数进行对比优化，实现巷道围岩有效控制；⑤可靠支护原则，即锚杆（索）等支护材料选择合理，锚杆（索）长度、直径、间排距等支护参数可靠，一次成巷支护质量高，降低巷道返修率。

在遵循上述原则的基础上，实现深部巷道围岩安全稳定的支护对策是[5]：

1）首先利用高强度锚杆（索）+金属网的联合支护方式对巷道围岩进行及时主动支护，将巷道表面围岩固化，从而促进巷道围岩充分发挥其自承载作用。大量成功的工程实践经验及理论研究表明，随着巷道转向深部，对支护体系的要求越高，提高锚杆（索）支护强度势在必行。

2）深部巷道支护采用高强度、高预应力锚杆（索）+金属网进行，尤其提高巷道顶板的支护强度，防止顶板离层及垮落现象的发生。

3）同时应加强巷道两帮的支护强度，同样采用高强度、高预应力锚杆（索）进行支护，以减小巷道两帮的位移量。

4）通过在巷道帮角处增加底角锚杆（索）以减小巷道底鼓变形。

5）增强锚杆（索）的锚固力、预紧力，使巷道支护体系的强度得到提高，对应围岩自承结构强度及稳定性更好。

6）对巷道进行动态矿压观测，当巷道围岩所处地质条件发生变化、掘进施工工艺发生改变及围岩出现大的变形时，需及时对巷道支护参数进行调整。尤其在地质构造带、围岩变形破碎严重区域，需要改变支护参数并进行补强支护，以保证巷道掘进施工的安全进行。

4 结语

浅部巷道的支护大多以围岩松动圈为基础，用锚杆、锚索等常规支护手段增加松动圈的稳定性。而深部围岩由于地应力大大高于浅部巷道，岩体表现出很大的流变性，围岩可能出现多种变形破坏方式，使得巷道支护面临着更加艰巨的挑战。因此，在选择巷道支护形式以及确定各个支护参数时，就应更加小心谨慎，选择合理的支护形式，达到深部恶劣围岩条件下巷道变形控制的要求。