煤矿巷道围岩强度测试及支护参数设计

王辉

摘 要： 近年来，我国煤炭行业的开发利用推动我国整体经济建设的快速发展，为我国基础建设贡献力量。我国煤炭储量丰富，随着矿井逐渐向深部开采，矿井的开采条件逐年复杂，巷道围岩出现流变形态、破坏范围大、变形强烈、泥化易风化、破碎松散、裂隙发育等特点，学者对其支护进行很多研究。

关键词： 煤矿巷道围岩;强度测试及支护参数设计

【中图分类号】TD353+.6     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.37.230

引言：时代的进步，科技的发展使得我国快速进入现代化科学技术发展阶段，各行业有了新的发展空间。近年来，随着我国综放工作面开采技术逐步发展，工作面产量不断提高，其巷道断面也逐渐增大，但是掘进技术不能满足快速推进的要求，给矿井正常接替带来了很大压力。目前，巷道支护常采用锚杆（索）支护，为了满足工作面的快速推进及巷道断面的增加，需要增加单位长度巷道锚杆、锚索的数量以及加快成巷速度。

1 工程概况

研究巷道开采二1煤层，煤层平均厚度为6.0m，平均埋深为400m，煤层平均倾角为4°，实验室测得煤的平均抗压强度为31MPa，煤体节理裂隙发育，局部煤体出现松软破碎。基本顶为中粒砂岩，平均厚度10.0m，呈浅灰色;直接顶为粉砂岩，平均厚度4.5m，呈黑灰色;直接底为粉砂岩，平均厚度2.0m，呈浅黑灰色;基本底为粉砂岩，平均厚度5.6m，呈灰色。

2 钻孔探测围岩强度测试

①实验室岩块强度测试。试件并不是真实的原有环境，不能客观反映围岩的真实力学特性;巷道处于煤系中，包含大量的岩土层，不能够满足现场取心和实验室标准件制作的要求，该方法具有较为强烈的主观因素。②岩体强度原位测量。现目前方法位大尺寸压缩试验和钻孔触探法，其中，大尺寸压缩试验要求尺寸较大，耗时耗力，不太适用于常规的围岩力学参数测定;钻孔触探法主要适用于巷道浅部破碎区。

3 巷道围岩塑性区分布特征

对于节理倾角为0°-30°赋存区域岩体，载荷下节理中部扩展成拉裂纹，之后岩体发生张拉破裂，被节理切割的块体在载荷作用下易翻转转动，进一步促进岩体承载结构劣化，使得岩体呈现显著拉破坏，巷道围岩发生弯折破坏失稳。当围岩节理倾角以30°-45°为主时，初期节理尖端裂纹的萌生及扩展发生拉损伤，而在峰值强度附近则以剪切裂纹贯通为主，使得岩体发生拉剪混合破坏及剪切破坏，巷道围岩发生片帮。当节理倾角增大为75°时，节理尖端产生的剪切裂纹沿着节理倾向扩展，并相互贯通成滑移剪切面，岩体发生剪切破坏，巷道围岩以劈裂片帮为主。两帮中下部塑性破坏深度大于上部，节理倾角越大，两帮塑性破坏深度越小，顶板塑性破坏深度受节理倾角影响较小。巷道下部左帮破坏明显大于右帮，巷道两帮发生非对称变形，这是因为巷道左侧受邻近采掘工程应力扰动影响较大所致。

4 巷道支护参数确定

锚索参数确定。深部围岩顶板施加3根锚索，采用锚索进行补强支护，锚索直径为17.8mm，采用1×7股钢绞线，模拟分析了锚索长度为6.3、7.3、8.3m三种尺寸的巷道支护效果，当锚索长度为6.3m时，巷道顶底板的移近量为430mm;当锚索长度为7.3m时，巷道顶底板的移近量为400mm;当锚索长度为8.3m时，巷道顶底板的移近量为397mm。可以发现，当锚索长度为7.3m和8.3m时，巷道顶底板的位移量相差不大，综合经济角度和安全角度。根据数值模拟，锚杆长度选择为1.6m，锚杆间排距均为0.7m时巷道支护效果最好，不再进行叙述，仅对锚杆的预紧力进行数值模拟。锚杆长度选择为1.6m，锚杆间排距均为0.7m，设置预紧力分别为40、60、80kN进行数值分析。

5 不同支护方式下围岩位移特征

不同支护方式下，回风大巷围岩位移演化特征可以看出：1.当巷道采用锚网索支护时，局部顶、底板最大移近量为885.1mm;当巷道采用锚注支护时，局部顶、底板最大移近量为519.7mm;当巷道采用联合支护时，局部顶、底板最大移近量为296.9mm。2.巷道采用联合支护时，顶、底板收缩量相较于采用锚网索支护与锚注支护明显减小;采用锚网索支护时，底板向巷内收缩量相差较大，即底板变形严重;而采用锚注支护时，底板向巷内收缩量相差较大的现象稍有改善，但巷道两底角收缩仍然严重。通过比较可知，在采用联合支护方案条件下，巷道围岩变形量相对较小，围岩变形得到有效控制。

6 巷道加固方案

为了提高煤柱工作面下伏轨道上山和皮带机上山初始锚网喷支护结构的稳定性，在上覆孤岛煤柱工作面回采前，利用锚索的高承载能力对巷道变形较大的拱顶及受力易于集中的两侧拱肩等薄弱支护区进行结构补偿，从而达到充分发挥深部稳定岩体的承载能力，避免因顶板离层裂隙发育導致岩体冒落。为此，根据煤柱工作面及其下伏轨道上山和皮带机上山围岩条件，并结合工作面下伏2条上山围岩变形特征分析，制定了采前采用锚索对2条上山巷道拱顶及两侧拱肩进行加固，采后通过锚杆补网再维护的加固对策。在工作面回采期间，对混凝土喷层及岩块剥落位置，通过锚杆进行补网再维护，不仅有利于防止混凝土喷层剥落面扩展，而且也有利于维护巷道围岩稳定性。

结语：通过钻孔探测仪围岩强度测试，得出顶板上覆岩层0-6.5m处，岩石具有较好的完整性，平均强度为53MPa，实体煤帮部平均强度为14MPa，说明围岩能够发挥锚杆的主动支护能力。

参考文献

[1] 靖洪文，苏海健，史新帅，等.基于井下钻孔剪切的煤矿巷道围岩强度演化规律研究[J].岩石力学与工程学报，2019，38（12）：2428-2437.

[2] 王军朝，崔千里.松软厚煤层留顶煤动压巷道围岩综合控制技术[J].采矿与岩层控制工程学报，2019，24（1）：73-76，34.