深井破碎围岩巷道协同支护技术研究与应用

杨东启，刘建庄，王盛川，李 准，薛福祥

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.华北理工大学 河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210)

我国煤炭资源丰富，累计探明煤炭资源储量1.4万亿t，而埋深1000m以上的煤炭资源占近50%。虽然在国家政策影响下，煤炭资源消费占比有所下降，但仍占我国能源消费总量的一半以上，短时间内煤炭资源在我国能源消费结构中的重要地位不会改变。经过数十年的开采，我国浅部煤炭资源难以满足社会发展需求，这也决定深部煤炭资源开采势在必行[1-5]。复杂地应力场、高岩溶水压、低强度软碎围岩对我国煤矿职工生命安全、矿井建设、煤炭生产运输带来严重的威胁，深部煤炭资源开采将面临更加严峻的挑战[6-10]。

近年来国内学者围绕破碎围岩支护问题，开展研究并取得一系列成果，尤其是联合支护技术在破碎围岩巷道的应用[11-14]。张璨等[15]将超强锚杆、改良U型钢、锚喷注技术结合，模拟并对比分析不同支护方式下围岩变形情况，提出喷锚注支护技术进行围岩控制，为解决高地应力软碎巷道大变形问题提供技术参考。张宏学等[16]建立U型钢支架、锚索协同支护模型，运用理论计算、FLAC3D数值模拟对模型分析，结果表明，锚索间距与巷道断面、埋深及侧压系数有关，合理设计锚索间距可减小巷道变形、塑性区面积及U型钢支架最大弯矩。单仁亮[17]等运用勘测、理论分析以及模拟的方法，对比分析原有支护方案及优化后的锚杆索同排布置方案，结果表明，新支护方案有效的降低巷道变形，提高围岩承载力，为控制巷道变形提供依据。

本文以河北唐山矿运输巷支护为研究背景，提出架棚、锚杆(索)和注浆(后称“棚锚注”)协同支护方案，运用数值模拟对比分析常规锚网喷支护、锚注支护及棚锚注协同支护对控制巷道变形的作用，结合工程试验验证选定支护方案的合理性、有效性，为实现破碎围岩巷道稳定支护提供一定指导作用，为矿井建设、煤矿安全生产保驾护航。

1 工程背景

1.1 工程现状

河北唐山矿运输巷埋深-950m，自重应力超过23MPa，巷道断面设计为直墙半圆拱形，断面尺寸为5.0m×3.6m，工程量共计280m，原支护方式为锚杆、锚索、托盘及金属网片组合的常规锚网喷支护，锚杆采用∅22mm×2200mm等强螺纹钢树脂锚杆，间排距为800mm×800mm，帮顶锚杆参数相同，金属网片由直径大于等于6.0mm的钢筋焊接而成，规格1.2m×1.7m，锚杆托板规格150mm×150mm×10mm。在开门交叉点、顶板破碎等薄弱点位补打一排∅17.8mm×6300mm锚索。水泥采用P.O42.5硅酸盐水泥，喷射强度为C20混凝土，喷浆厚度大于80mm。常规锚网喷支护如图1所示，各煤层顶底板物理力学性质参数及特征见表1。

图1 常规锚网喷支护方案(mm)

表1 各煤层顶底板物理力学性质参数及特征

在原支护方式下，巷道短期内就出现了不同程度的支护失稳现象，主要表现为巷道变形、底鼓严重、架棚扭曲、卡缆崩脱、锚杆脱锚等。

1.2 围岩破碎特征分析

采用ZXZ20-Z矿用钻孔成像仪对轨道巷顶板及两帮进行钻孔窥视，分析顶帮的裂隙发育程度、围岩稳定性等特征，钻孔窥视成像如图2所示。

图2 顶帮钻孔窥视成像

从图2(a)所示顶板窥视图可以看出，在2.5m处钻孔较平滑，围岩节理较发育明显，可见数条横向裂隙，围岩整体状况完整，但随着钻孔深入，在7.6m处钻孔出现较大空腔，围岩破碎严重，裂隙充分发育；由图2(b)、(c)可以看出两帮围岩破碎情况整体表现类似，孔深4m左右围岩呈较破碎状态，可见图示钻孔左侧有明显的破碎区，在6m左右两帮围岩又呈破碎状，上帮钻孔保持完整但裂隙急剧发育，下帮钻孔破碎严重，较长范围内形成直径约80mm的空腔。综上所述，该巷道围岩结构稳定性差，两帮围岩破碎情况更为严重，易导致巷道围岩变形失稳，因此为解决破碎围岩巷道支护问题，开展棚锚注协同支护技术研究，丰富深井破碎围岩巷道支护方案。

2 支护方案数值模拟研究

2.1 计算模型

为解决该运输巷支护所面临的种种问题，以锚固强化运输巷围岩为原型，采用FLAC3D数值模拟软件对常规锚网喷支护、锚注支护及棚锚注协同支护技术展开模拟分析。经条件比对和简化，取前述顶底板物理力学参数进行模拟参数赋值，模型断面规格为60m×60m，轴向长度8m，巷道围岩模拟参数[18]如下：弹性模量为26.7GPa，泊松比取值0.275，软化参数选取包括内摩擦角、粘聚力、抗拉强度和剪胀角，软化塑性应变分界值为15.0×10-3。岩体按均匀自重应力大小施加，密度为2.5×103kg/m3。模型上部表面为自由面，施加垂直应力，与实测地应力方向保持一致，底面边界施加固定约束，在X向左右边界和Y向前后边界施加滚轴约束。锚杆(索)参数见表2。

表2 锚杆(索)模拟参数

2.2 支护方案模拟及分析

2.2.1 常规锚网喷支护模拟

常规锚网喷支护主要应用在岩性较为坚硬的中砂岩、砂岩地段，原支护方式为锚杆、锚索、托盘及金属网片组合支护，常规锚网喷支护下塑性区-应力分布情况如图3所示。

图3 常规锚网喷支护塑性区-应力分布

由图3可知，在该支护方式下塑性区及应力整体呈现对称式分布，其中顶底板应力较集中，在两拱角范围应力呈耳状分布，顶底板塑性区分布范围较大，两帮塑性区发育较小，顶板塑性区发育厚度约为9.0m，底板约为4.50m，顶板最大下沉量为591mm，两帮收缩量322mm，随着计算时步增加，起拱线、顶底板位移趋于稳定。因此在深部破碎围岩条件下，常规锚网喷支护对于顶板及两帮的控制作用不明显，巷道变形大，无法满足巷道支护稳定性要求。

2.2.2 锚注支护模拟

锚注支护方案是用PSB830-∅22mm×2200mm超高强锚杆替代原等强锚杆，在超高强锚杆的杆档内，呈五花形式增设∅25mm×3000mm中空注浆锚杆，间排距1.6m×1.6m，长度3.0m，孔径∅32mm，进行浅部3.0m锚固区注浆，注浆压力在3～5MPa。注浆模拟参数选用浆液扩散范围2.5m内，块体单元峰后弹模、粘结力、抗拉强度定比扩大1.2倍、剪胀角缩小1.2倍[18]。锚注支护巷道围岩塑性区-应力分布情况如图4所示。

图4 锚注支护塑性区-应力分布

由图4可知，巷道周边塑性区及应力分布范围较前述方案有明显改进，相较锚网喷支护塑性区范围有所减小，顶底板塑性区变化较大，但巷道左侧起拱线及右侧肩角塑性区范围稍突出，顶帮塑性块在锚固注浆区内，底板塑性区约7.5m，顶板塑性区约3.5m，顶板下沉量321mm，两帮位移207mm。随着计算时步发展塑性区不会拓展，表明该支护方式较常规锚网喷支护能够短期实现巷道稳定，但顶板下沉、两帮位移较大，仍不能满足巷道支护稳定性要求。

2.2.3 棚锚注协同支护模拟

架棚、锚杆(索)和注浆协同支护方案是将锚注支护与29U架棚结合起来，架设29U支架，排距设计为700mm，壁后挂网。棚锚注协同支护如图5所示，架棚模拟参数[19]见表3。

图5 架棚+锚杆(索)+注浆支护方案(mm)

表3 架棚模拟参数

棚锚注协同支护巷道围岩塑性区-应力分布情况如图6所示。结果显示，巷道顶底板塑性区分布范围明显减少，应力集中现象不明显，架棚以肩部、棚腿部承载受力最大，巷道周边的塑性区发育在锚固区内1.2m范围，底板因未实施注浆可达3.5m。顶板下沉130mm，两帮位移102mm，四个模拟监测点位移均在130mm以内。棚锚注协同支护与常规锚喷支护、锚注支护相比，顶板下沉量、两帮位移量明显降低，对于巷道围岩控制效果突出，较大程度上实现巷道稳定，可满足巷道支护稳定性要求。

图6 棚锚注支护塑性区-应力分布

3 工程应用

根据FLAC3D模拟结果分析，选定原支护方案和棚锚注协同支护方案进行工程应用，不在对锚注方案进行工程试验。分别对两类方案进行为期7个月的区域巷道顶板、两帮位移监测。两类方案的顶板下沉量监测曲线如图7所示，两类方案的巷道两帮收敛监测曲线如图8所示。

图7 顶板下沉量监测曲线

图8 巷道两帮位移监测曲线

从图7、图8可知，在应用两类支护方式试验期内巷道变形主要发生在前40d，巷道表面收敛速度大，其中常规锚网喷支护变形尤为明显，该支护方式下顶板下沉量达到320mm，两帮收缩量达到145mm，这主要因为在深部破碎围岩区域巷道支护过程中，破坏了原岩应力场，导致巷道不能保持原岩稳定性，故在支护初期出现较大变形，可判定此阶段为掘巷影响期，但采用棚锚注协同支护巷道顶板和两帮收缩量分别为85mm、45mm，由此可知因为注浆锚杆注浆加固作用，浆液在破碎围岩区域裂隙间流动、充实、凝固，提高破碎围岩残余强度，使其与完整稳固围岩重新黏结为一体，提高了巷道围岩结构完整性[20，21]，故在掘巷影响期，棚锚注协同支护巷道变形量更小，更能发挥其对巷道变形的控制作用。两类支护方式在掘巷后无较大变形，基本进入相对平稳发展期，但在第91d由于受到临近巷道施工带来的工程扰动影响，试验巷道顶板和两帮均出现波动，之后再进入稳定期，最终常规锚网喷支护顶板最大下沉量408mm，两帮收敛最大215mm，棚锚注协同支护顶板最大下沉量130mm，降低了68%，两帮收敛102mm，两帮位移降低了52%。因此，棚锚注协同支护技术控制顶板和两帮效果显著，较原常规锚网喷支护能更好的满足深部破碎围岩条件下巷道稳定性要求。

4 结 论

1)根据巷道围岩岩性、构造等地质特征，利用FLAC3D对常规锚网喷支护、锚注支护及棚锚注协同支护进行模拟，模拟表明：常规锚网喷支护不能确保支护巷道长期稳定，巷道顶板和两帮存在较大变形；锚注支护较常规锚网喷支护对破碎围岩巷道支护作用有所改善，但仍存在较大变形；棚锚注协同支护对巷道围岩变形控制效果显著，巷道变形明显降低，可实现深部破碎围岩条件下的稳定支护。

2)在深部破碎围岩条件下，棚锚注协同支护对围岩塑性区的控制效果显著，中空注浆锚杆的应用，可对初掘支护后破碎围岩进行锚固强化，注浆可充分发挥提升破碎围岩承载力、围岩锚固性的作用，提高破碎围岩结构完整性，加强了棚锚注协同支护对围岩巷道的控制作用。

3)现场工程试验结果表明，采用棚锚注协同支护技术顶板下沉量降低了68%，两帮位移降低了52%，且在掘巷影响期对巷道变形的控制作用尤为显著。棚锚注协同支护技术能有效控制巷道变形，应对深部破碎围岩复杂困难的支护环境，为施工人员作业、煤矿生产运输提供了安全保障，也为同类复杂围岩巷道支护提供方案参考。