北岭煤矿大断面软岩巷道锚固承载结构和支护研究

张 文

（山西中煤平朔北岭煤业有限公司，山西 朔州 038500）

大断面软岩巷道围岩控制是矿井安全高效生产的难题[1]。北岭煤矿4 号煤及泥岩顶板强度低、节理裂隙发育[2]，开巷后围岩煤体破碎，巷道掘进及后期服务中易发生冒顶和片帮等事故[3]，巷道的安全掘进与维护存在难度大、安全性差等问题[4]。弄清巷道破坏机理，提出符合大断面软岩巷道工程条件的支护参数，是实现围岩稳定控制的有效路径。

已有的研究为本文提供了参考和基础，由于大断面软岩巷道赋存复杂，采动影响剧烈，需要深入研究[5]。本文采用了理论分析、工程类比、数值模拟的方法，提出大断面软岩巷道承载结构和控制机理，设计出适合北岭煤矿的支护方案，为软岩巷道支护提供理论支撑。

1 软岩巷道锚固承载结构

1.1 工程地质条件

北岭煤矿4#煤层平均厚度10.1 m，倾角3°～5°，普氏系数f=1.7，外生裂隙发育，405 工作面运输顺槽埋深180～90 m。直接顶为泥岩，厚度为1.1 m，普氏系数f=2.3；基本顶为含砾粗砂岩、泥岩、砂质泥岩互层，普氏系数f=4.7。4#煤岩层完整性差，强度低，节理裂隙发育，承载性差，具有软岩属性。405 工作面运输顺槽断面为矩形，巷道宽度为5.2 m，高度为3.5 m，沿煤层底板布置。

1.2 软岩巷道锚固承载结构原理

软岩巷道开挖后围岩自承能力差，实施锚杆索支护，巷道围岩、煤柱和锚杆索支护形成锚固承载结构。如图1。

图1 锚固承载结构示意图

开挖后应力重新调整，巷道围岩分为破碎区、塑性区和弹性区，打设的锚杆索作用于破碎区、塑性区和巷道围岩形成了锚固结构，使得围岩破碎后的残余强度（δ、E、C）大大提高。针对巷道围岩“小结构”采用主动锚固控制，使锚固体能充分发挥其承载能力。具体说，打设锚杆形成浅部承载结构，打设锚索形成中深部强化结构，强化围岩强度和完整性，形成浅部-中深部一体承载结构，提高围岩抵抗剪切、拉伸破坏能力，减少巷道软弱围岩承载失效和支护体变形破坏。

2 软岩大断面巷道支护设计

顶锚杆为Ф22 mm 左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4 m，采用W 钢护板（厚度×宽度×长度=4 mm×280 m×450 mm）[6]。

锚索为Ф17.8 mm，1×7 股高强度低松弛预应力钢绞线，长度7300 mm，钻孔直径28 mm，采用一支K2335 和两支Z2360 树脂药卷锚固。

帮锚杆：正帮采用玻璃钢锚杆，Ф18 mm，长度为1800 mm；副帮采用圆钢锚杆，Ф18 mm，长度为1700 mm。

2.1 支护方案模拟研究

2.1.1 模型的建立

如图2（a）所示，按照表1 参数建立模型，尺寸长×宽×高=50 m×30 m×50 m，巷道中线两侧各25 m 保护煤柱，沿巷道轴向掘进30 m[4]，如图2（b）所示。平衡后，实施开挖和支护，支护材料的力学参数见表2。

表1 4#煤岩层力学参数

表2 锚杆、锚索力学参数

2.1.2 模拟方案

本次分析综合考虑锚杆锚索间排距对支护效果的影响，提出设计方案见表3。巷道总长30 m，每次开挖5 m，分6 步开挖。

表3 初始方案设计 m

2.2 模拟结果分析

围岩塑性区如图3，可知顶板锚杆间排距越小，支护密度越大，顶板围岩塑性区向深部发展的越少。各个方案中，巷道表面围岩发生剪切破坏、张拉破坏，深部发生剪切破坏，调整锚杆（索）的间排距可以改变巷道浅部围岩的破坏次数和破坏形式。

图3 巷道塑性区分布

如图4，在水平方向（巷道）从浅部到深部呈现应力降低区—原岩应力—应力升高区—原岩应力的变化[4]。由垂直应力分布（图5），方案1 中最高垂直应力为6.219 4 MPa，方案5 为6.113 8 MPa，为原岩应力的2.01 倍。

图4 巷道水平应力分布

锚杆索的间排距增大，支护密度减小，巷道顶板垂直方向上应力降低区域增大，顶板表层岩石强度损失越严重。在一定范围内提高支护密度可以改变围岩垂直应力分布特征，使围岩避免出现拉应力破坏[2]。可知，方案5 较为合理。

3 现场应用分析

按方案5 在405 工作面运输巷进行工业性试验，布置测站对巷道变形进行监测。

由图6 可知，测站处巷道变形特征主要为两帮挤出，顶板变形较小，巷道表面位移在掘进初期变形较小，10 d 后变形速率加快，监测50 d 后变形趋于稳定，变形速率降低，监测期间（210 d 左右）两帮及顶底板移近量最大分别为398 mm、269 mm。

4 结论

1）大断面软岩巷道围岩强度低、承载性差，实施锚杆索支护，提高围岩残余强度，形成锚固承载结构，实现围岩稳定性控制。

2）适当提高支护密度，可以减小围岩破坏范围，避免出现拉应力，减少软岩巷道围岩剥离和脱落，从而保证围岩的完整性。