回采巷道錨桿索支護優化設計與應用

楊 揚 孫 凱 于振亞

（1.中國煤炭工業協會生產力促進中心，北京 100013；2.山東能源集團西北礦業有限公司，陜西 西安 710000；3.棗莊礦業（集團）濟寧岱莊煤業有限公司，山東 濟寧 277606）

山西長平煤礦井下工作面兩側巷道掘進時在初始支護條件下變形量較小，但在工作面回采期間，受工作面來壓采動影響，巷道將出現不同程度的變形破壞[1-3]。國內外學者圍繞回采巷道圍巖穩定性控制進行了大量研究。曹勝根等[4]建立了巷道突水區圍巖本構模型，分析了漿液流變性、流動規律及擴散方式，提出了巷道圍巖預注漿防突水技術；付玉凱等[5]建立了復合軟巖巷道長短錨索層次控制力學模型，形成了長、短錨索層次支護技術；方新秋等[6]根據破碎圍巖巷道變形破壞特征及影響因素分析，得出巷道兩幫圍巖的破碎起到了天然卸壓作用，延緩了底鼓的發生，采用二次支護方法控制圍巖變形；王曉卿等[7]揭示了錨桿（索）在不同圍巖體中作用機理，直觀展示了壓力拱的產生，揭示了錨桿（索）對圍巖的控制機理。本文結合現場條件，在原有巷道錨桿支護條件下調整錨桿間排距，補強錨索，優化巷道初始支護條件，以此維護巷道圍巖穩定，防止巷道發生頂板垮落、幫部擠出及底板鼓起等安全事故，減小回采巷道變形破壞，保障礦井安全高效生產[8-9]。

1 工程概況

2302 工作面井下位置位于二采區，為二采區首個回采工作面，工作面走向長度913 m，傾斜長度154 m，采3#煤層，3#煤均厚3.5 m，平均傾角5°。2302 工作面運輸順槽沿3#煤層頂板布置，采區內該煤層結構簡單，僅個別點含2 層泥巖夾石，屬穩定煤層。頂板為泥巖、中砂巖，底板為泥巖、粉砂巖。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

2302 運輸順槽頂板選用規格為Ф18 mm×1800 mm 的螺紋鋼樹脂錨桿， 錨桿間排距1000 mm×1000 mm， 幫 部 選 取Ф18 mm×1800 mm全螺紋式玻璃纖維樹脂錨桿，錨桿間排距900 mm×1000 mm，全斷面掛10#鐵絲菱形網。巷道斷面支護圖如圖1。

圖1 巷道斷面支護圖（mm）

2 回采巷道圍巖變形失穩機理與特征分析

2.1 巷道圍巖變形失穩機理

2302 工作面開切眼貫通后開始回采工作，采場巖體初始應力環境被破壞，采場應力重新分布，導致初始支護條件下的巷道發生變形失穩。

1）巖體內部構造分析

巷道發生變形破壞，從巖體內部分析，巖體本身存在不同程度的節理裂隙，在回采擾動下，巖體內部應力重新分布，導致巖體內部裂隙等弱面更加發育，并不斷相互導通，形成較大的結構弱面，最終使巖體發生變形破壞[10-11]。

2）巖層壓力傳遞分析

從巖層運移方面來看，工作面開采后，頂板下沉，上覆巖層破斷回轉，巷道圍巖承受圍壓劇增。當覆巖壓力超過巷道圍巖自身承載極限時，圍巖發生變形失穩，導致巷道變形破壞[12]。

2.2 巷道圍巖變形失穩特征

從長平煤礦多條煤巷頂板的調研資料總結發現，煤巷的變形破壞特征主要表現：頂板巖層發生破碎，容易發生彎曲下沉，導致頂板由下至上的巖層冒落破壞。具體表現為以下兩點：

1）頂板破碎冒落

巷道掘通后，原巖應力受到擾動，巖體內部應力重新分布，集中拉應力逐漸聚集到巷道頂部。頂板巖層抗拉強度不足以承受頂板拉應力時，頂板巖層將從下至上出現拉裂破壞，單一巖層在此作用下會在巷道頂部逐漸形成結構較簡單的冒落區，而多層巖層會在巷道頂部形成較為復雜的冒落區。

由于巷道開掘、工作面回采使巷道頂部所受壓力巨大，頂板巖體在壓力作用下其自身節理裂隙發育，逐步形成宏觀上的巖體變形破碎。巷道經過特殊地質地帶（斷層、陷落柱、上覆采空區等）時，頂板所受地質構造壓力更大、更復雜，頂板巖體內部節理裂隙更加發育，巖體更破碎，甚至變為粉末狀。

在地質構造應力的作用下，分布于軟弱層面的巷道變形破壞也甚為嚴重。巷道頂部巖層受應力疊加作用，內部破壞從其本身固有節理裂隙延伸變大，致使巖層裂隙節理錯綜復雜。在巖層內部裂隙節理的貫通作用下，形成了各種形狀大小的破碎巖塊。巖塊之間失去了鉸接摩擦效果，時常發生冒落現象，甚至發生連鎖冒落，造成大規模的頂板安全事故。

2）頂板彎曲下沉

巷道頂板巖層不是水平層位時，工作面采動，應力重新分布，頂板巖層受上覆巖層載荷作用發生變形破斷。但由于傾斜巖層之間的擠壓鉸接效應，破斷的巖塊仍能夠彼此擠壓不冒落，同時能夠繼續傳遞水平作用力。各破斷巖塊彼此擠壓鉸接形成一種平衡狀態，此時巷道頂板巖層彎曲下沉。如果上覆巖層壓力繼續增大，就會導致巷道頂板巖層鉸接擠壓失效，巖塊垮落，巷道破壞。

3）巷道鼓幫滑落

① 巷道鼓幫

巖層水平方向的作用力施加到巷道幫部造成巷道幫部擠出。根據來壓層位及煤巖層位關系，巷道兩邊中部或底部都可能出現幫鼓擠出現象。巷道幫部中部或者底部鼓起可分為內因和外因。巷幫圍巖物理力學性質從內部決定其破壞位置，巖層水平作用力的方位及大小從外部決定其破壞位置。內外兩因素共同決定巷道何處幫鼓。

② 巷幫小塊危巖滑落或片幫

當巷道周圍分布有交錯傾斜的節理時，巷道幫部圍巖由于節理而被切割分裂為巖塊，巖塊主要受到自身重力及與周圍巖體產生的摩擦力的作用，當兩者平衡時巖塊就會發生移動，當在重力作用下的下滑力大于摩擦力時，巖塊就會發生脫落，導致巷道破壞。此現象多發生于斷層帶、構造破碎帶、巖層中有軟弱巖層帶或塊狀結構的巖體中。

3 回采巷道支護優化設計

3.1 錨桿索支護作用機理

1）錨桿支護作用機理

通過抑制錨桿作用區域巖層的錯動、節理裂隙發育、離層等變形破壞，錨桿支護產生壓力作用于錨固圍巖中，最大限度地控制頂板與幫部圍巖彎曲下沉與變形破壞，保持巖層的一體結構，使圍巖能夠保持承載能力，擔任采場承受上覆載荷的主體。通過施加預應力，使錨固區內部形成穩定結構，抑制錨固巖層發生離層錯動，同時深部巖層應力分布也得到調整。巖體的彈性變形及未破壞前的塑性變形受錨桿支護的作用影響不大。要使巖層彈性能與破壞前的塑性變形能充分釋放，必要的延伸率是錨桿支護體系必須具備的條件。

① 巖體力學性質與變形影響

錨桿錨固作用可以通過改變破碎區、塑性區煤巖的強度、彈性模量、黏聚力和內摩擦角等物理力學性質以改善煤巖塑性變形，并可以改變煤巖體在其屈服峰值破壞后的殘余強度，影響破壞后煤巖的變形特征。

② 巖體內部結構影響

巖體內部在其本身構造應力的影響下，存在各種裂隙、節理等不連續結構面，這些弱面的存在會很大程度上影響巖體的物理力學性質，并進一步影響巖體的承載能力。錨桿支護體系通過在巖層中打入高強度錨桿體，以此為巖體提供軸向力和抗切向力，能夠顯著提高巖體的抗剪強度，抵抗結構弱面的錯動滑移。錨桿支護能夠通過施加預緊力整體加固破碎圍巖，保持煤巖體的完整性與穩定性，使破碎后的圍巖仍具有一定的承載能力。

③ 巖體內部應力分布影響

工作面巷道受開挖采動影響，巷道圍巖內部原巖應力狀態被破壞，應力重新分布。圍巖內部出現拉應力與剪應力，容易導致巖體發生變形失穩。錨桿通過向巖層施加預緊力，可以主動改變巖體內部應力狀態：巷道頂板錨桿可以提高錨固區抗拉能力，抵消頂板部分拉應力；巖層發生水平滑動變形時，錨桿的抗剪強度能夠提高巖體的抗剪能力，維持巖體穩定性。

2）錨索支護作用機理

巷道圍巖變形劇烈處等關鍵支護部分需要采用錨索進行加強支護。錨索支護主要將錨索穿過頂板不穩定巖層進入到穩定巖層中，通過錨固劑將接近巷道頂板不穩定巖層與圍巖深部穩定巖層懸吊起來，形成一個整體，抑制了頂板不穩定巖層的下沉冒落，保持巷道圍巖塑性區范圍不再擴大。錨索支護是井下巷道復雜條件下加強支護的重要方法措施。

錨索支護功效主要可以從兩方面分析：錨索支護通常配合錨桿支護，一方面錨索錨入深部圍巖，使錨桿支護本身形成的承載體與深部圍巖相連，充分調動了深部圍巖的承載能力，提高了支護承載體的穩定性；另一方面，錨索通過錨固劑向深部圍巖施加較大預緊力，與錨桿支護形成的壓應力區組合成骨架網狀結構，主動支護圍巖，保持其完整性。提高錨桿與錨索的預緊力并使其有效擴散是改善巷道支護效果的最有效途徑。

3.2 巷道支護方案優化

結合上述回采巷道變形失穩機理與錨桿錨索作用原理，針對原回采巷道圍巖變形失穩，對巷道錨桿索支護進行優化設計，優化設計如下：

1）錨桿優化方案

巷道頂部、幫部錨桿均由Φ18 mm×1800 mm優化為Φ18 mm×2000 mm，頂部錨桿間排距由1000 mm×1000 mm 優 化 為800 mm×800 mm，幫部錨桿間排距由900 mm×1000 mm 優化為900 mm×900 mm。

2）增補錨索方案

在巷道頂板增補錨索，錨索規格為Φ18 mm×6000 mm，間排距1600 mm×1600 mm，深入頂板穩定巖層中。

回采巷道支護優化設計如圖2。

圖2 巷道支護優化設計（mm）

4 數值模擬分析

1）數值模擬方案

為分析優化前后的回采巷道支護方案對巷道圍巖穩定性控制效果，通過FLAC3D建立數值計算模型，對優化前后的回采巷道支護方案巷道頂板垂直位移及塑性區范圍進行對比分析，得出回采巷道支護優化后的圍巖控制效果。

本次模擬采用Mohr-Coulomb 準則，根據煤層綜合柱狀圖結合實際地質情況，建立模型地層。數值計算模型如圖3。

圖3 數值模擬模型

根據礦井地質資料，所建模型距離地表垂直距離550 m，可通過直接在模型頂部加載垂直應力替代地層自重（γH）為σzz=13.75 MPa。

2）數值模擬結果

優化前后的回采巷道支護方案巷道頂板垂直位移云圖如圖4。

圖4 支護優化前后巷道頂板垂直位移

如圖4 所示，初始支護條件下，工作面回采后，巷道圍巖應力重新分布，在應力的用下，巷道圍巖開始發生變形。但在優化后的錨桿索支護作用下，巷道圍巖變形有所降低。

優化前巷道支護方案頂板位移量最大為92 mm，優化后巷道支護方案頂板位移量最大為75 mm，且支護優化前的巷道頂板位移范圍大，圍巖破壞范圍大。由于工作面巷道沿煤層頂板布置，巷道底板為煤體，巷道底鼓量稍大，支護方案優化前后巷道最大底鼓量分別為170 mm、186 mm。

優化前后的回采巷道支護方案巷道塑性區范圍如圖5。

圖5 支護優化前后巷道塑性區范圍

錨桿（索）支護情況是否良好，錨固是否穩定，塑性區的范圍是一個重要參考指標。如圖5 所示，支護方案優化前，巷道總體塑性破壞范圍大，巷道頂底板也出現較大拉伸破壞。方案優化后，隨著錨桿（索）支護密度的增大，巷道兩幫及肩角塑性區發育范圍有所減小，巖層總體破壞范圍也減小。

巷道幫部的塑性區分布呈現靠近工作面一側的發育深度明顯大于遠離工作面的一側，底板塑性區發育深度大于頂板塑性區。這是由于工作面存在應力集中現象，造成煤體破壞嚴重，導致塑性區發育增大。由于錨固復合承載體等支護體系可以控住塑性破壞的發育范圍，而巷道底板一般不加以支護，因此，底板塑性區發育深度大于頂板塑性區發育深度。

5 支護方案優化應用與效果監測

支護方案優化后，在回采工作面巷道進行工業性試驗。采用收斂計對支護方案優化后的巷道表面位移量進行測量。通過對表面位移的測量，反映巷道表面位移的大小及斷面收縮程度，并判斷巷道圍巖的變形是否超過其安全允許的最大值，是否影響巷道的正常使用，為準確評估支護效果提供量化指標。

方案優化效果監測地點選擇與工作面前方超前支承壓力劇烈的回采巷道處，以此最直觀反映支護優化效果。監測地點處巷道垂直變形量如圖6。

圖6 支護優化巷道垂直變形監測

如圖6 所示，支護方案優化后工業性試驗期間，兩監測地點巷道頂底板變形量最大分別為82 mm、75 mm，最小變形量分別為57 mm、49 mm。支護方案優化后，巷道穩定性良好，錨網索支護效果良好，具有較好的可行性。

6 結論

1）工作面開采后，巷道發生變形破壞，從巖體內部分析，巖體本身存在不同程度的節理裂隙，在回采擾動下，巖體內部應力重新分布，巖體內部裂隙不斷相互導通，形成較大的結構弱面。從巖層運移方面來看，上覆巖層破斷回轉，當覆巖壓力超過巷道圍巖自身承載極限時，圍巖發生變形失穩，導致巷道變形破壞。

2）模擬結果表明，支護方案優化后巷道圍巖變形量由92 mm 減小為75 mm，巷道兩幫及肩角塑性區發育范圍有所減小，巖層總體破壞范圍也減小。

3）工業性試驗現場監測結果表明，支護優化方案下的巷道穩定性良好，具有較好的可行性。