高应力大断面巷道围岩控制及支护技术研究

孙春雷

（晋煤集团沁水胡底煤矿，山西 晋城 048214）

胡底煤矿一盘区中部布置5条大巷，在大巷两侧布置工作面进行开采，巷道设计净断面为21.83m2。其中辅运巷在2015年经历一次巷修，主要采用挑顶、扩刷、全锚索支护、喷浆、注浆工艺，但随着首采面1301工作面回采临近停采线，受地应力、构造应力及采动影响，巷道变形破坏非常严重，虽多次进行维修，但始终难以从根本上解决高应力大断面巷道支护技术难题。

目前矿井正在开拓1103巷，为了有效控制巷道围岩变形破坏，确保矿井安全、可持续生产，迫切需要针对胡底煤矿的实际情况，开展高应力大断面巷道支护技术研究，分析巷道的围岩变形规律和破坏特征，确定合理的围岩控制技术及支护参数。

1 工程地质概况

胡底煤矿现开采的3#煤层位于山西组下部，开采水平垂深达500～700m，煤层平均厚度5.72m，倾角平均6°，全区稳定可采。井田内主要地质构造以褶曲为主，断裂构造不发育。3#煤层基本顶为细砂岩，平均厚度3.56m，直接顶为泥岩，平均厚度8.19m，直接底为泥岩，厚度为6.78m，基本底为细砂岩，厚度为3.8m。

1103巷道断面设计为矩形，净宽×净高=5400mm×3900mm，断面积为21.06m2，沿3#煤层顶板掘进。

2 围岩特性曲线的确定

根据1103巷道现场实际情况，煤层直接顶为8m左右的泥岩，两帮和底板均为3#煤，巷道松动圈值为1.8m，为典型的软岩巷道，采用霍克—兰丹尼理论对巷道进行支护设计计算。

巷道距地表垂深700m，3#煤层顶板泥岩的单向抗压强度σ=40.29MPa，弹性模量E=4.361×103MPa， 泊松比μ=0.29， 岩石容重γ=23.2kN/m3，相当原岩应力P0=16.24MPa。计算步骤如下：

以矩形掘进断面的外接圆作为等效圆

求常数M、D、Nr

由于塑性区中岩体节理化的发展，其质量逐渐降低。此时，可取mr=0.2；sr=0.0001。

求塑性区半径R

式中：

pi—锚杆的工作阻力或支架抗力，MPa。

求弹性区位移u

求塑性区体积应变εV

求塑性区位移uR

其中：

取锚杆的工作阻力（支护抗力）分别为3MPa、2MPa、1MPa、0.5MPa、0.2MPa、0MPa，计算出R、u、εV和uR列入表1，绘制成围岩特性曲线如图1所示。表1中塑性区体积应变εV为负值，表示体积增大。

表1 计算结果表

图1 围岩特性曲线

由计算结果知，被动支护支护抗力为零时的围岩塑性区位移uR=241mm。巷道围岩允许位移区间[uR]=（0.4～0.8）uR=96.4～192.8mm。在选择巷道支护时，巷道周边位移应落入允许位移区间[uR]内，此时表明支护方式合理。

3 巷道支护参数设计

1103巷设计采用“锚杆+锚索+锚网+喷浆”的支护方式。

3.1 锚索支护参数设计

（1）锚索长度计算

锚索长度L应为锚索深入到较稳定岩层的锚固长度La、需要悬吊的不稳定岩层厚度（5m）、托板及锚具的厚度（0.1m）及外露张拉长度（0.25m）之和。其中：

式中：

K-安全系数，取2；

d1-锚索直径，取22mm；

fa-锚索抗拉强度，取1720N/mm2；

fc-锚索与锚固剂的粘结强度，10N/mm2；

L=1.892+5+0.1+0.25=7.242m。

结合以上计算取锚索长度为7.3m。

（2）采用悬吊作用理论进行校核巷道顶锚索间、排距a：

应满足：

式中：

G-锚索设计锚固力，250kN/根；

k-安全系数，一般取2；

L2-有效长度，取b；

L2=b（锚索取围岩松动圈冒落高度）

式中 ：

B-巷道掘宽，5.4m；

H-巷道掘高，3.9m；

f-顶—顶板岩石普氏系数，取实测值4.0；

ω-两帮围岩的似内摩擦角， 76°；

γ- 岩石容重，25kN/m ³。

带入公式算得L2=b=0.79m。

经计算a＜2.52m。

因此，顶锚索间排距为2.0×2.0m。

3.2 帮锚杆、锚索支护参数确定

巷帮支护所需提供的最大支护力为：

为保持巷帮不失稳，则支护体提供的支护力P≥δ3max，则锚杆的间距为：

式中：

Q-帮锚杆锚固力，取50kN；

a1-帮锚杆的间距，m；

b1-帮锚杆排距，取1.0m；

γ-煤的容重，取13.6kN/m3；

d-巷道半宽，取2.7m；

H-巷帮高度，取3.9m；

φ-煤层内摩擦角，取28°；

f-煤层普氏系数，取1.56；

K1-锚杆安全系数，取1.5。

经计算，δ3max=33.66MPa

一次和二次喷层抗力共计0.278MPa，钢筋网抗力0.054MPa，巷帮锚杆支护所需提供的最大支护力为：33.66-0.278-0.054=33.33MPa

因此，帮锚杆间排距为1.0m×1.0m，结合以往工程支护经验，在巷帮上增设2根4.3m长锚索，帮锚索间距取2.0m，进一步减小两帮塑性区的变形量。巷道布置平剖面图如图2所示。

图2 1103巷道锚喷支护方案平剖面图

3.3 锚杆间距和围岩变形量验算

锚索抗力：

式中：

τs-锚索许用屈服强度，取484MPa；

F-锚索横截面积。

“锚网索喷”支护总抗力P=0.278+0.054+0.332=0.664MPa，查围岩特性曲线图，在该支护抗力作用下，巷道周边位移uR＇=184mm，被动支护支护抗力为零时的围岩塑性区位移uR=241mm，巷道围岩允许位移区间[uR]=（0.4～0.8）uR=（0.4～0.8）×241=96.4～192.8mm。巷道周边位移落入允许位移区间[uR]范围内，表明所设计的支护方案合理。

3.4 锚网索支护参数确定

（1）锚杆的布置方式

① 顶锚杆布置方式

采用Ф22、L=2400mm锚杆，矩形布置，每排6根，间排距为1000mm×1000mm，边上两根距巷帮200mm。采用树脂加长锚固，锚固长度为1675mm，锚杆安设角度与顶板垂直，锚固力不小于150kN，加挂W形钢带和钢筋网，W形钢带型号为W280×400/4。

② 帮锚杆布置方式

采用Ф22、L=2400mm锚杆，矩形布置，每排每帮4根，间排距为1000mm×1000mm，最上一根锚杆距顶板300mm，最下一根锚杆距底板600mm。锚杆采用树脂加长锚固，锚固长度为1675mm，锚杆安设角度与巷帮垂直，锚固力不小于150kN，加挂钢筋网。

（2）锚索的布置方式

① 顶锚索的布置方式

采 用 Ф22mm、L=7300mm的 锚 索，型号SKP22-1/1720，每排3根，间排距为2000×2000mm，边上两根距巷帮700mm。为能够充分发挥锚索、锚杆组合支护效果，在锚索与锚索之间加挂W形钢带和钢筋网，W形钢带型号为W280×400/4，锚索预应力不小于250kN。

② 帮锚索的布置方式

采用Ф22mm、L=4300mm的锚索，锚索两帮各2根，每排4根，间排距为2000×2000mm，矩形布置，上部锚索距顶板800mm。锚索预应力不小于250kN，帮部锚索距底板超过1.5m时，进行补打锚索。

（3）混凝土喷浆

在安装完金属网、W形钢带、锚杆、锚索后，需要对巷道周围进行喷射混凝土，混凝土厚度100mm，水泥：砂：石子（体积比）=1：2：2，并掺入水泥用量的5%的速凝剂，强度等级：C20。

4 效果

根据后期矿压监测结果可知，巷道位移量顶板最大为154mm，底板最大为189mm，左帮为190mm，巷道围岩控制效果较好。顶板离层监测结果表明，巷道顶部松动离层值很小；锚杆（索）测力计读数显示，锚杆受力处于合理状态，顶板处于稳定结构；锚杆锚固力和预紧力矩抽检结果合格率高，表明巷道锚杆支护施工质量好，支护系统安全可靠。以上监测结果表明，该支护方案合理，在类似地质条件下可推广运用。