协同控制支护下巷道围岩稳定性研究

摘要：为了解决21160运输巷煤帮应力集中问题，分析了动静载荷作用下煤帮受力特征，采用协同控制方案，反复致裂形成弱结构体积区域释放弹性能，深度梯次支护及锚杆锚索联合支护提高围岩抵抗变形的能力，工程应用结果显示锚杆锚索受力及围岩变形均在合理范围，卸压条件下维持了巷道的稳定性。

关键词：应力集中；动静载荷；协同控制方案；围岩变形采动应力及构造应力是造成煤岩巷道应力集中的主要原因，弹性能的瞬间释放最终造成围岩失稳破坏，严重情况下损坏设备，甚至引起煤粉及瓦斯的爆炸，威胁工作人员的生命安全［1］。截至目前，冲击地压依旧是影响安全生产的重要因素之一。根据已有研究，当冲击地压积聚能量大于105 J时，巷道围岩失稳破坏。目前主流锚杆锚索支护体系最多可抵抗104 J能量破坏，因此钻孔卸压、水力压裂等方法成为治理冲击地压的主流方法［24］。然而，不合理的治理方案往往造成卸压力度小、卸压位置偏差，甚至造成巷道强度急剧下降，导致支护系统失效一系列问题［58］。因此，有效释放压力、维护巷道稳定成为治理的核心。本文探索了协同控制支护方案的可行性，取得了良好的应用效果，维护了巷道的稳定性。

1工程概况

矿井主采5#煤层，宏观煤岩类型界限清晰，质地较坚硬，典型碎裂结构煤，节理发育好。煤层平均厚度3.6 m，平均倾角3.5°。区域开采平面上，煤层厚度均匀，整体可采。开采煤层顶板（直接顶和老顶）为软弱泥岩，底板（直接底）为矸石与炭质泥岩互层，遇水易发生膨胀。

目前回采工作面21160，西侧与采区皮带巷、采区运输巷、采区回风巷相邻，东侧与南侧为采区边界，北侧为21150采空区。开采工作面直接顶和老顶厚度44.2 m，上覆细砂岩及砾岩厚度452.36 m，在地应力及采动应力叠合影响下，巷道局部应力高度集中，煤体弹性能积聚释放产生冲击破坏。因此，本文以21160运输巷为研究对象，探讨有效支护方案，旨在预防巷道冲击地压的发生。

2协同控制支护方案

2.1围岩破坏机理

巷道掘进以及开采过程中，扰动造成围岩原岩应力的改变。扰动影响下，巷道围岩受力不均，进而造成应力分布的差异性，此部分应力称为动态载荷。动载影响因素众多，不仅受开采工艺的影响，岩层断裂以及断层的存在同样影响动载分布。21160运输巷无断层存在，因此人为扰动是动载的主要来源。同时，在直井开采方式下，巷道埋深所处的上覆岩层重力造成静态载荷，静载主要受开采深度的影响，埋深越大，上覆岩层自重应力越大，静载值也越高。动载和静载的综合是巷道围岩的受力值，当载荷值大于支护强度，则巷道失稳破坏。根据已有研究基础，静载值可预测，动载值无法有效预测，因此，动载是诱发巷道围岩失稳、发生冲击破坏的主因。

根据上覆岩层重力特征以及开采扰动下的超前支承压力理论，动静载应力逐渐传递至巷道两侧煤帮处，且受力特征相似。在巷道开挖后，应力释放，支护作用下运输巷围岩受力降低，造成了两帮处于应力高值区范围的现象。理论上，煤帮提供的支撑力大于动静载荷值时，巷道围岩处于稳定状态。但是在实际生产中，煤帮两侧支护过程中积聚的弹性能如若不能有效释放，将造成冲击地压的发生。因此，需要人为干预设置弱结构，降低两帮弹性能，转移应力集中区域。

理论上，人工造缝可释放弹性能，破坏岩体完整性。弱结构面虽然造成了岩体抵抗变形的能力降低，但是在支护作用下，岩体抗压强度重新增强，承载能力满足生产需求即可。因此，在制造弱结构面时，需要确保岩体整体完整，人工裂缝适度扩张，在加固支护作用下，弹性能释放与塑性能累计达到平衡，围岩整体趋于稳定。

2.2支护方案设计

基于围岩破坏机理，对21160运输巷进行支护方案设计，支护断面示意如图1所示，不同于传统巷道支护设计，运输巷支护实现了支护结构与弱结构释放能量的协同控制，具体支护设计如下：

（1） 顶板采用锚杆锚索联合支护，长锚索、短锚索、锚杆深度梯次支护，确保了坚硬顶板和软弱顶板的固层，减少离层现象发生的同时，增强了上覆岩层的整体强度。顶板长锚索直径21.6 mm，长度8 200 mm，间距2 500 mm，排距1 600 mm；短锚索直径21.6 mm，长度5 300 mm，间距1 500 mm，排距1 600 mm；锚杆直径22 mm，长度2 400 mm，间距1 800 mm，排距800 mm。靠近巷道两帮锚杆与顶板呈15°安设。

（2） 两帮钢管位置首先需要反复钻孔施工，确保弱结构体积区域的形成，随后通过钢管支撑护壁，确保弱结构体积区域不坍塌闭合。帮部锚杆与顶板锚杆尺寸一样，间距1 000 mm，排距1 600 mm，靠近巷道顶板和底板锚杆与巷道两帮呈15°安设。两帮锚索与顶板短锚索尺寸一样，锚索的作用是有效串联弱结构体，确保垂直层理方向岩层一体化。

（3） 巷道采用左旋螺纹高强锚杆，让压锚索，为了更有效发挥协同控制作用，采用液压抬棚对顶底板进行有效支撑，防止底鼓现象发生改变岩层受力特征，影响应力分布区域。根据生产经验，液压抬棚一般安装在靠近支架的位置，且预应力应足够大。

值得注意的是，弱结构体积区域施工是反复致裂的结果，钻孔深度需保证15～20 m，现场施工中应该进行实时钻孔观测，一般而言，反复致裂2～3次往往可达到预期结果。

3应用效果

根据协同控制支护方案施工，对巷道顶板及两帮锚杆锚索进行受力监测，其中顶板锚索通过测力计监测短锚索受力。统计30天内监测数据，绘制得到图2所示的结果，从图中可以看出，顶板锚索和锚杆应力变化特征一致，监测前5天迅速增加，5～30天趋于稳定。顶板锚杆5天时应力10.23 MPa，30天时应力13.00 MPa；顶板锚索5天时应力11.23 MPa，30天时应力13.56 MPa。对于两帮锚杆及锚索而言，整体变化趋势一致，变化范围小。两帮锚杆最大应力6.59 MPa，两帮锚索最大应力3.46 MPa。锚杆锚索受力整体在合理范围内，未发现断裂现象。

采用十字布点法对巷道围岩变形进行监测，顶板下沉量在0～10天内迅速增加，变形量增加53.23 mm，随后变形量逐渐稳定，最大变形量55.12 mm；两帮位移量采用均值法处理数据绘制所得，同样0～10天内变形量逐渐增加，增幅38.26 mm，随后趋于稳定，最终稳定在40.32 mm。

矿压监测结果显示，围岩变形以及锚杆锚索受力均在合理范围内，整体支护效果良好，明显改善了围岩变形特征，有效达到了卸压目的，巷道处于稳定状态。

4结论

通过研究协同控制支护方案下巷道围岩稳定性特征，得到以下主要结论：

（1） 动静载荷作用下，巷道两侧煤帮应力集中现象明显，可人工造缝形成弱结构体积区域，释放弹性能，达到弹性能和塑性能的平衡状态，使巷道处于稳定。

（2） 采用协同控制支护方案，顶板长锚索、短锚索、锚杆深度梯次支护，两帮反复致裂后锚杆锚索联合支护，然后配备钢管支撑护壁，同时，液压抬棚可提供足够支撑力。

（3） 工程应用结果显示，巷道顶板锚杆最大应力13.00 MPa，顶板锚索最大应力13.56 MPa，两帮锚杆最大应力6.59 MPa，两帮锚索最大应力3.46 MPa，均在合理范围内。围岩变形得到有效控制，卸压目的达成，巷道稳定性强。

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