高应力巷道支护失效机理及控制技术

李 森，魏 霞，孙 峰

(1.潞安化工集团 高河煤矿， 山西 长治 046000；2.山西机电职业技术学院 数控工程系， 山西 长治 046011；3.国家能源集团 神东煤炭集团柳塔矿， 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

近年来，随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，煤炭开采逐渐转向深部，在“三高一扰动”的条件下，巷道围岩破坏特征逐渐呈现与浅部不同的规律，围岩错动导致锚索破断现象普遍，破断后弹射伤人事件时有发生，为保障生产安全，应对深部巷道锚索破断原因进行研究。

山东某矿在原岩应力高达68 MPa的条件下，进行实体煤巷道掘进，掘进期间仅受巷道掘进影响，出现大面积锚索破断现象，本文利用FLAC3D数值模拟，分析了巷道围岩应力调整规律，阐述了锚索破断的原因，并提出控制技术。

1 工程地质条件及锚固失效情况

1.1 工程地质条件

巷道埋深1 200 m，沿底板掘进，掘进速度为5 m/d，顶板留有4.8 m顶煤，顶煤上方为1.5 m泥岩和11.3 m粉砂岩，底板下方为1.2 m泥岩及2.4 m粉砂岩(具体煤岩体特征见表1). 该巷为探巷，距采空区较远，受采动影响较小，断面为直墙圆弧拱形，净宽4 300 mm，墙高3 000 mm，拱高700 mm，经地应力测试，最大主应力约68 MPa，为水平方向，方位角约156°，与该探巷夹角约30°，巷道布置示意图见图1.

图1 巷道布置示意图

表1 煤岩体特征表

1.2 锚固失效情况

对锚杆(索)失效情况经过一个月统计，发现锚杆(索)失效现象主要集中在距离掘进迎头10～30 m，此范围内共计34例锚索失效现象，其中正拱顶处有15例，右顶处有12例，左顶处有7例；30 m以外共计9例锚索失效现象，失效位置在正拱顶、左顶、右顶分别为6例、2例、1例。发生失效的形式多为锚索破断，破断端口集中于2.0～3.5 m，根据锚索断口形式初步判断为剪切破坏，锚索破断情况见图2.

图2 锚索破断情况图

2 支护失效原因分析

2.1 巷道掘进期间围岩应力演化规律分析

根据分析可知，实体煤巷道掘进期间，距掘进迎头30 m范围内频繁发生锚索破断现象，基于现场实际参数，利用FLAC3D建立数值模型，模型尺寸为50 m×30 m×47.5 m，采用Mohr-Coulomb本构模型，将具有方向性的最大水平应力分解为相互垂直的应力用以模拟现场地应力环境，根据巷道实际尺寸建立巷道模型，具体煤岩体力学参数见表2，模型见图3.

表2 煤岩体力学参数表

图3 模型图

巷道掘进循环进尺为3 m，在巷道拱顶处布置垂直的10 m监测线，分别监测巷道掘进3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m时巷道顶板围岩xx方向、yy方向及垂直应力演变情况。图4为巷道顶板不同层位距掘进迎头不同距离下围岩应力演变情况。

由图4显示可知，随着巷道向前掘进，xx方向及yy方向的水平应力峰值在往深部转移，峰值均处于巷道顶板上方3～4 m，xx方向水平应力峰值随着巷道掘进有所增大，yy方向水平应力峰值随着巷道掘进有所减小，垂直应力随着巷道掘进有所减小。

图4 巷道顶板距迎头围岩应力演变情况图

2.2 支护失效原因分析

以顶板上方3 m处为例，巷道围岩应力变化情况见表3. 由表3可知，受巷道掘进影响，巷道顶板上方3 m处围岩由三向受压，转变为xx方向受压，yy方向、垂直方向应力大幅下降，yy方向降幅较大，为17.6 MPa，垂直方向下降6.2 MPa.

表3 距迎头不同距离下顶板上方3 m处围岩应力变化情况表

应力调整示意图见图5，由于煤体围压值下降、卸压速率较大导致煤体破坏强度大幅下降，处于高地应力的环境下，煤体破坏后会瞬间向卸压方向位移错动，且由于围岩应力向深部转移，浅部围岩破碎区增大，锚杆未锚固到深部围岩承载区，失去作用点，浅部围岩与深部围岩不能产生耦合联系，围岩自承载能力下降，锚索悬吊重量增大，导致锚索破断失效，整体支护效果下降[1-2].

图5 应力调整示意图

3 加固工艺及参数设计

随着巷道掘进，应力不断向深部转移，围岩破碎区不断扩展，锚杆支护与围岩耦合支护作用下降，锚索承载载荷不断增大，深部围岩瞬间卸载，围岩三向受力状态转为单向受力，围岩破碎错动，导致锚索破断，可先打设注浆孔，预先卸压，随后注浆加固。

采用分层次耦合注浆方法，注浆材料采用水泥基浆液，封闭层采用C20的水泥，封闭层厚度60 mm，水灰比0.5；浅部注浆压力为1 MPa，深部为1.5 MPa，浅孔和深孔间排距均为1 300 mm×1 300 mm. 临时支护采用锚杆支护，永久支护方案保持不变，巷道顶板采用5根恒阻锚索、6根高强螺纹钢锚杆及“T”型钢带支护，锚索d22 mm，长度为8 m，间排距800 mm×800 mm；锚杆d22 mm，长度2.4 m，间排距800 mm×800 mm. 巷道帮部采用5根高强螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，1根恒阻锚索。恒阻锚索型号H-MS-500-08，其恒阻力350 kN，允许变形量300～500 mm. 支护断面图见图6，注浆孔布置示意图见图7.

图6 支护断面图

图7 注浆孔布置示意图

施工流程：掘进进尺→铺设金属网、临时支护→喷封闭层→永久支护→打设注浆孔预先卸压→分层次注浆。

4 现场观测

为验证加固方案的可行性，在现场进行工业性试验，并对巷道表面位移及锚索破断情况进行检测。在距离巷道迎头3 m处布置第一个测点，之后巷道每向前掘进20 m布置下一个测点，共计3个测点，将每个测点距巷道迎头相同位置的表面位移值取平均值计入最终数值。当距迎头20 m左右，巷道表面位移开始收敛，顶底板位移稳定在97 mm左右，两帮位移稳定在53 mm左右。监测数据见图8.

由图8可知，当距迎头20 m左右，巷道表面位移开始稳定，两帮位移约为53 mm，顶底板位移约为97 mm，巷道变形在可控范围内。后期现场观测1个月，未发现锚索破断现象，加固方案取得良好效果。

图8 巷道表面位移监测图

5 结 论

1) 随着高应力实体煤巷道向前掘进，巷道顶板围岩应力峰值向深部转移，xx方向应力峰值有所增加，yy方向应力峰值有所降低，垂直应力峰值有所降低；巷道顶板上方3 m处，xx方向应力值上升了6.3 MPa，yy方向水平应力及垂直应力分别下降了17.6 MPa、6.2 MPa.

2) 在高应力条件下，由掘巷引起的应力调整导致煤岩体破坏强度降低使围岩横向错动，是锚索破断的重要原因之一。

3) 工业性试验结果表明，利用恒阻锚索配合注浆加固可以有效减小高应力条件下实体煤巷道掘进过程中锚索破断率，将巷道表面位移控制在100 mm范围内，提高施工安全性。