急倾斜煤层跨采巷道预应力全锚支护研究与应用

王云河，江 海，李建建，赵志刚

（1.川煤集团华荣能源公司代池坝煤矿，四川 广元628208；2.山东安科矿山支护技术有限公司，山东 济南250033）

0 引言

矿井运输、通风、行人等永久性大巷，由于服务年限长，对巷道稳定性要求高，故往往布置于岩性较好的岩层中，通过高强锚网索支护或配合钢棚支护便可以有效控制巷道围岩变形，保持巷道长期稳定。但在采动应力影响下，超前支承压力的转移和集中会对巷道应力场和位移场造成强烈地扰动[1]，导致巷道围岩变形破碎，影响矿井安全高效生产。

当工作面回采跨采永久性巷道时，由于其矿压显现特殊性，跨采巷道支护技术探索实践一直是前沿课题。李廷春等[2]通过现场实测和数值模拟计算分析了应力变化对巷道变形破坏规律，说明了应力对巷道变形的力学原因；宋康磊等[3]通过地质雷达和激光扫描研究了跨采巷道围岩结构建议采用U型钢可伸缩支架从排距1 m减小为0.8 m支护；郭靖等[4]应用弹塑性理论和数值模拟分析了跨采底板大巷应力分布特征和变形规律，针对性地提出了“局部注浆+高强锚杆索”联合支护技术；卢鑫等[5]对底板破坏最大深度及影响范围进行了力学计算,提出了锚索桁架+木垛联合支护方式，使巷道在跨采期间受动压影响时的稳定性大大提高。

但针对近距离急倾斜煤层跨采巷道稳定性控制技术研究较少，本文以代池坝煤矿＋320东大巷受上覆31345工作面回采动压影响为背景，开展原岩应力测量和围岩力学参数测试工作，并根据原岩应力场理论分析和数值模拟结果，采用全锚支护技术补强加固跨采巷道，取得了较好的控制效果，满足跨采巷道稳定性控制要求。

1 工程概况

代池坝煤矿＋320m东大巷为直墙半圆拱断面，巷道净宽4 m，净高3 m，布置于31345工作面底板粉砂岩中，与31345运输巷法向距离7～10 m。巷道位置关系见图1。

图1 ＋320m东大巷与31345工作面位置关系图

31345工作面所采13煤性脆，内生裂隙发育，平均倾角47°，平均厚度1.63 m，夹数层夹矸。＋320 m东大巷围岩为厚层状细粒长石石英砂岩，以石英为主，长石次之，缓波状层理发育，明显接触，夹粉砂条带，岩石强度较高，但围岩裂隙、节理发育程度较高，导致局部浅部围岩张裂破碎脱落，巷道成型效果差，见图2，其锚杆支护设计方案较为简单，采用Φ20 mm×2 200 mm的高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆进行支护，间排距为800 mm×800 mm，巷道正顶布置1根，两侧对称布置2根，每排布置5根。

图2 ＋320m东大巷破坏现状

2 巷道应力环境与围岩力学条件

根据工作面及＋320东大巷区域地质与采掘状况，采用钻孔应力解除法测量该区域原岩应力场，地应力测点位置见图1。地应力测量中实施应力解除位置均距离巷道10 m以上，倾角15°左右，以保证所测结果不受巷道开挖的干扰影响。在地应力测量钻孔施工的同时进行岩石取样工作，保证应力解除岩性与岩石力学测试岩性一致，便于开展应力场与围岩力学特征相关性研究和解释工作[6]。地应力测量结果见表1，岩石力学参数测试结果见表2。

表1 ＋320东大巷区域原岩应力测量结果

表2 13煤顶底板岩石力学参数

从地应力和岩石力学测试结果可以看出。

1）最大主应力б1方位为南偏西向，倾角较大，超过45°，且与煤层倾向、倾角大体一致，与最小主应力方位上呈正交关系，说明应力场状态与岩层构造方向密切相关，受到急倾斜岩层影响。

2）垂直应力бV量值与按上覆岩层容重和埋深计算的垂直应力基本相符，且最为接近最大主应力б1，说明应力场中垂直应力占优势地位，是影响巷道稳定性的主要因素。

3）最大主应力方位上与＋320东大巷轴向呈65°夹角，接近垂直方向，对巷道稳定性影响较高。

4）应力场分布特征与岩石强度密切相关，主要体现在应力大小与岩石强度呈正相关关系，即岩石抗压强度、弹性模量的增大，其承载的应力水平越高，而应力方向与之相关性不大，表现出一致性[7]。

应力是引起矿井巷道围岩变形和破坏的根本作用力，巷道掘进和工作面回采均可对巷道应力环境产生重要影响，其施工扰动过程也是围岩结构变形破坏形成的过程，由于巷道围岩的变形和应力重新分布，使得巷道围岩处于低围压应力和较高的应力差状态。进而在采空区与巷道区域形成相互铰接的受力单元和一系列具有一定规律分布的裂隙带，见图3。

图3 工作面回采后＋320东大巷围岩结构和应力分布模型

上部31345工作面回采产生的应力转移和集中现象，使得下部岩层及＋320东大巷应力进入失衡状态，引起＋320东大巷围岩承载性能降低，破碎扩容形成较大收敛位移，包括冒顶、底鼓、片帮，尤以顶板和底角位置破坏最为严重，围岩位移的不断加大最终导致巷道失稳。

从垂直应力变化理论趋势分析，31345工作面回采后，在运输巷回采侧形成采空区，顶板冒落并逐步压实，应力释放并趋于稳定，为垂直应力降低区和稳定区，在运输巷非回采侧，在实体煤中出现应力转移集中，为垂直应力增高区和正常应力区。

从水平应力变化理论趋势分析，由于工作面为急倾斜煤层面，回采后，顶板水平应力得以释放，主要向底板转移和集中，运输巷顶板主要为应力降低区，运输巷底板为垂直应力增高区和正常应力区。

由力学模型分析可见，回采过程中采空区边缘会产生明显的应力集中现象，底板跨采巷道处于垂直应力降低和水平应力增高的非等压受力状态。

3 巷道支护优化方案

3.1 巷道支护优化思路

巷道支护的目的就是如何有效控制巷道的结构变形和松散变形，只有通过足够的初始预紧力和合理的支护范围，从一开始就对围岩进行强有力的约束作用，消除围岩的初期松动变形，调动围岩整体承载能力才是保证巷道围岩稳定性控制的有效途径，而不是等待围岩产生松动变形后再去悬吊松垮的围岩[8]。

针对＋320东大巷在上部31345工作面回采动压影响下锚杆支护强度和范围弊端，应用预应力全锚支护技术补强加固，即首先对锚杆/锚索端锚后采用大预紧力提高围岩护表强度，减小浅部围岩松动破碎，再采用高强锚固材料全长锚固强化锚杆/锚索与围岩力学联系，抑制围岩剪切变形和离层破坏，改善围岩-支护系统刚度和承载性能[9]。

3.2 预应力全锚支护优化方案

根据＋320东大巷现场断面条件，预应力全锚支护采用中空注浆矿用锚索和中空注浆锚杆全断面支护模式，见图4，具体支护技术参数和要求如下。

图4 应力全锚支护方案图

1）中空注浆锚杆型号为MZG K200-32/27-2 500 mm，间排距1 600 mm×3 200 mm，每排5根，采用2支K2335树脂锚固剂端锚，蝶形钢托盘规格为120 mm×120 mm×8 mm，预紧力100 k N。

2）中空注浆锚索型号为SK Z22-1/1860（C）-6 300 mm，间排距1 600 mm×3 200 mm，每排4根，采用3支K2335树脂锚固剂端锚，蝶形钢托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm，，预紧力200 k N。

3）采用Φ6 mm钢筋经纬网护表。

4）注浆参数：采用MZM-70型高强无机注浆锚固料，水灰比为1∶3.5，注浆压力不低于7 MPa。

4 数值模拟结果与分析

采用F LAC数值模拟分析＋320东大巷受31345工作面回采条件影响下应力环境和围岩变形破坏特征。本构模型区域为＋320东大巷巷道中心线两侧各15 m，顶板以上20 m，底板10 m。边界条件为：以均布载荷的方式施加于模型上边界，模型左边界和右边界限制水平位移；模型下边界限制水平位移和垂直位移，使得整个模型的左下角和右下角节点不会产生位移，保证了整个模型在计算过程中不会产生漂移现象，见图5。

图5 数值模型模型与岩性柱状图

4.1 巷道弹塑性区分布范围和结果

根据＋320东大巷在31345工作面回采后围岩弹塑性变形破坏范围和程度分布，见图6。原支护状态下，＋320东大巷围岩浅部以屈服后的弹性恢复状态为主，在左帮和底板右底角处局部围岩受动压影响出现超过岩体单轴抗张力的拉力屈服破坏现象，但范围较小。＋320东大巷围岩深部岩体大部分处于弹性变形阶段，顶板在采空区下部出现局部拉力屈服破坏现象，左帮围岩弹性变形区域和完整性均超过右帮围岩。

图6 围岩弹塑性区分布范围

全锚支护后，＋320东大巷围岩以弹性变形和屈服后的弹性恢复状态为主，特别是弹性变形状态出现大面积增加，单轴抗张力的拉力屈服破坏现象主要出现在底板和右帮上部局部区域，其弹塑性变形破坏程度较原支护状态有较大改善。

4.2 巷道水平应力分布范围和结果

根据＋320东大巷围岩水平应力场分布范围和特征数值模拟结果（见图7），＋320东大巷在上覆31345工作面回采后，水平应力方向沿岩层倾角分布，主要在31345运输巷顶板及右帮区域集中，整体处于应力释放区，应力水平低于3 MPa，只有在巷道左帮底角区域为应力集中区，应力水平超过6 MPa。

图7 巷道水平应力及速度场分布图

全锚支护后，在31345工作面回采后，＋320东大巷水平应力基本处于释放区，应力水平不高于2 MPa，只有在巷道左帮底角区域为应力集中区，应力水平超过6 MPa，分布范围和应力集中程度较原支护状态明显缩小。

4.3 巷道垂直应力分布范围和结果

根据＋320东大巷围岩垂直应力场分布范围和特征数值模拟结果（见图8），＋320东大巷与31345运输巷的法向距离为7 m时，＋320东大巷在上覆31345工作面回采后，垂直应力方向沿岩层倾角分布，巷道顶底板区域处于应力释放区，应力水平低于3 MPa；两帮区域为应力集中区，左帮出现应力集中范围和程度均高于右帮，应力水平峰值超过24MPa。

图8 巷道垂直应力及速度场分布图

全锚支护后，＋320东大巷在上覆31345工作面回采后，垂直应力方向沿岩层倾角分布，巷道顶底板区域大范围处于应力释放区，应力水平低于6 MPa；两帮区域为应力集中区，左帮出现应力集中范围和程度均高于右帮，应力水平峰值超过18 MPa，其应力集中程度和范围较原支护状态明显缩小。

5 预应力全锚支护效果

预应力全锚支护后巷道没有出现明显变形、喷浆层脱落现象，底板鼓起破坏不明显，满足了正常生产服务要求。通过多点位移计对巷道顶板和两帮的变形监测结果看，见图9，在工作面回采动压影响期间，＋320东大巷围岩变形破坏主要出现以下特征：

1）工作面回采期间跨采巷道变形破坏程度低，各监测部位围岩变形量在120 mm范围内，变形量呈现左帮＞顶板＞右帮的特征，满足巷道稳定性控制要求。

2）31345工作面回采初期，跨采巷道围岩变形速度较低，超前应力破坏影响从距离开采巷道10 m开始，至-30 m时破坏强度达到峰值，随后跨采巷道变形破坏强度逐步降低。

3）跨采巷道顶板变形以浅部围岩碎胀变形为主，变形量为90 mm，影响范围在2.1 m范围内，主要破坏范围在0.9 m范围，0.6 m和0.9 m处存在明显裂隙离层区段。

4）巷道帮部围岩呈现前期变形发展较快，后期逐步趋于稳定的特征，巷道3 m以上围岩变形较小，3 m以下围岩区域呈现阶段性碎胀变形，在1.2 m和0.6 m位置处存在明显离层裂隙发育区，左右帮整体变形量分别为118 mm和80 mm。

6 总结

1）地应力和岩石力学测试结果表明，＋320东大巷围岩强度较高，但处于应力场较不利状态，在31345工作面回采期间，受岩层急倾斜影响，其次生应力变化较为复杂，巷道稳定性控制难度较大。

2）受急倾斜煤层赋存特点的影响，煤层及顶底板岩层附近应力场呈非均匀分布，工作面回采过程中采空区边缘产生明显的应力集中现象，跨采巷道处于垂直应力降低和水平应力增高的非等压受力状态，巷道应力集中主要位于左帮底角处和右帮上部区域，塑性破坏区主要分布于左帮上部和右帮下部。

3）预应力全锚支护采用高预紧力、高压注浆和及时注浆全锚的技术手段，实现了注浆锚杆/索全锚作用，配合护表材料的约束作用将浅部破碎围岩与深部稳定岩层形成整体，抑制围岩进一步变形发展。

4）现场应用和验证了采用高强支护材料和注浆材料，可以明显强化围岩与支护体力学联系，提升锚杆/索主动支护能力，提高围岩抗拉拔和抗剪切变形的能力。达到了全锚支护预期的技术目标，取得了良好的支护效果，为急倾斜煤层跨采巷道补强加固提供借鉴意义。