復雜巖巷高預應力支護技術研究與應用

張 釬

（陽泉煤業(yè)（集團）有限責任公司一礦，山西 陽泉 045008）

1 工作面概況

陽煤一礦81304 工作面地面位于燒紙腦以東，營房溝以南，磨石巖以西，南坪溝以北。井下位于十三采區(qū)西翼的南部，十三采區(qū)西部邊界線以東，十三采區(qū)西回風巷以西，81306 工作面（未掘）以南，81302 工作面以北。

81304 低抽巷用作本工作面回采時瓦斯抽放專用通道，巷道以K2 石灰?guī)r為標志層，位于15 號煤層上方約9 m，沿黑色泥巖掘進。巷道地面標高1 125～1 425 m，井下標高668～714 m，平均埋深約500 m；巷道設計長度1 780 m，預計服務年限2 a；巷道坡度最小2°，最大11°，平均6°。隨后掘進的81304 回風巷將會對試驗巷道產生動壓影響，另外南部81302 工作面（已回采）對巷道也有一定壓力。

試驗巷道直接頂為K2 石灰?guī)r，深灰色，厚度約2.7 m，致密、堅硬，裂隙充斥方解石，普氏硬度系數(shù)8.0～12.0；再上為泥巖，黑色，厚度約9.7 m，致密、塊狀、質脆，普氏硬度系數(shù)8.0～12.0；底板為深灰色石灰?guī)r，厚度約2.7 m，致密、堅硬。

該區(qū)域總體構造形態(tài)為一單斜構造，局部發(fā)育有次一級的向、背斜，傾角大致在2°～11°之間。掘進至距開口處182 m 處預計遇有陷落柱，掘進至距開口處811 m、972 m 處預計有撓曲構造。

2 地質力學參數(shù)測試

2.1 地應力測試

陽煤一礦區(qū)域水平主應力最大值為18.19 MPa、最小水平主應力最大值為9.42 MPa。三個測點最大水平主應力方向分別為N57.7°W、N38.7°W 和N50.1°W，為NWW 方向，方向一致性好。

2.2 頂板巖性分析

頂板0～0.7 m 為泥質砂巖，巖層呈灰黑色，泥質膠結巖層較完整。0.7～4.9 m 為石灰?guī)r，呈灰白色，致密堅硬；其中1.0～1.3 m 為縱向微裂隙，1.9～2.6 m 裂隙比較發(fā)育，3.7～4.7 m 賦存多條方解石巖脈。4.9～10.0 m 為砂質泥巖，巖層呈灰黑色，泥質膠結，其中4.9～6.7 m 巖層比較完整，6.8 m 處有明顯的橫裂隙，8.1 m 為微裂隙。10.0～14.7 m 為細砂巖，巖層呈深灰色，鈣質膠結，較為堅硬；11.5～14.7 m 巖層相對完整；14.7～20.1 m 為砂質泥巖，巖層呈灰黑色，泥質膠結，其中15.0 m 為橫向原生裂隙，15.4～19.0 m 巖層完整。

3 巷道破壞理論分析

3.1 頂板變形破壞特征分析

層狀頂板部分巖塊的冒落和兩幫煤體的受壓變形，頂板各分層發(fā)生了彎曲下沉，兩幫上方的頂板巖體向巷道空間內旋轉。上部頂板巖塊在圍巖應力作用下發(fā)生了塑性變形，由一個或多個頂板分層形成了鉸接巖塊結構及裂隙彎曲結構。下部鉸接巖塊結構處于準平衡、隨動穩(wěn)定狀態(tài)，其結構穩(wěn)定性與水平應力、頂板厚跨比等因素有關。上部裂隙彎曲結構處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，具有一定自承載能力，隨著采動影響的加大，可能轉化為鉸接巖塊結構。頂板結構都形成了下部鉸接巖塊結構及上部裂隙彎曲結構，以裂隙彎曲結構作為頂板主要承載體進入亞平衡狀態(tài)。

3.2 兩幫和底板結構及穩(wěn)定性分析

試驗巷道為巖石巷道，兩幫為泥巖層，相較于煤幫來說，巖石巷幫較為穩(wěn)定，巷道較容易支護。但若巷道位于相鄰巷道掘進或工作面回采等擾動引起的應力增高區(qū)時，加之巖石巷幫表面容易受到風化作用而脆裂時，巷幫容易發(fā)生破碎片幫現(xiàn)象，從而誘發(fā)頂板變形和巷道整體破壞；反之，當巷道位于相鄰巷道掘進或工作面回采等擾動引起的應力降低區(qū)時，再加上對巷幫表面進行薄層噴漿處理時，可有力控制巷幫破碎片幫變形，保證巷幫整體穩(wěn)定性。

3.3 煤柱尺寸對巷道穩(wěn)定性影響分析

窄煤柱沿空掘巷穩(wěn)定因素主要取決于采場支承壓力的分布規(guī)律以及其對窄煤柱沿空巷道圍巖的影響程度。本次試驗中，試驗巷道位于煤層上方8 m 處的泥巖層中，與相鄰的回風巷和采空區(qū)距離分別為30 m、45 m，巷道受到相鄰回風巷的掘進影響和相鄰工作面的采動影響，動壓明顯。煤柱尺寸留設原則，是巷道既避開頂板回轉結構造成的應力增高區(qū)，又能滿足低位瓦斯抽放要求。

4 設計方案與技術參數(shù)

4.1 原支護方案評價

巷道為巖石巷道，周邊將受到81304 回風巷的掘進影響和81302 工作面采空區(qū)的不穩(wěn)定影響，圍巖應力復雜，巷道后期變形較大。井下調研發(fā)現(xiàn)，掘進期間巷道頂板相對穩(wěn)定，下沉量較小，但構造段頂板較為破碎，凹凸不平，局部出現(xiàn)破碎冒落；巷道兩幫有一定變形，部分段巷幫片幫、破碎，出現(xiàn)兜網(wǎng)和錨桿后空現(xiàn)象。尤其是隨后81304 回風巷的掘進影響，將顯著影響巷道圍巖的受力情況。加之，巷道兩幫采用單體錨桿配拱形托板（不帶調心功能）支護，護表面積和預應力擴散效果較差，錨桿預應力偏低，巷幫支護相對較弱，部分段變形劇烈，甚至破碎片幫。

4.2 新支護方案設計

巷道頂板支護錨索為每排4 根，間距1 000 mm；其余支護參數(shù)同前900 mm 段支護參數(shù)，巷道斷面支護布置如圖1。

圖1 巷道支護斷面圖（單位：mm）

5 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支護效果

巷道表面位移監(jiān)測曲線如圖2 所示，頂板的最大下沉量約22 mm，兩幫最大移近量約14 mm，相對于巷道尺寸，整體變形較小，在允許范圍內。

從變形時間來看，巷道的變形量主要集中在掘進工作面30 m 范圍內，超過此范圍巷道的變形量趨于穩(wěn)定，說明巷道支護效果較好。錨桿、錨索受力監(jiān)測結果如圖3 所示。

圖2 表面位移監(jiān)測曲線

圖3 錨桿受力曲線

從錨桿受力監(jiān)測曲線可知：錨桿初始預緊力主要在38～56 kN 之間，這與錨桿初始施加的300 N·m預緊扭矩基本吻合；個別錨桿略有降低和增加，這與巷道圍巖變形和表面破碎卸壓有關；總的來說，錨桿受力穩(wěn)定，且均在極限承載范圍內，說明錨桿的選取是合理的，錨桿也很好的發(fā)揮了積極主動的支護作用。

通過錨桿錨索受力監(jiān)測分析，結合前述巷道位移變形，可知錨桿錨索受力變動主要發(fā)生在前2 d內，然后趨于穩(wěn)定；巷道整體變形較小，巷道掘進期間處于安全可靠狀態(tài)。

6 支護效果評估與技術經濟效益分析

1）從現(xiàn)場試驗來看，在井下工業(yè)性試驗的基礎上，工人已經熟練掌握新型巷道施工機具，頂板和兩幫扭矩倍增器得到很好的推廣和應用，錨桿和錨索能夠提供足夠的錨固力與預緊力，在巷道掘進初期能夠給圍巖施加很高的預應力，實現(xiàn)“三高一低”支護理念。

2）通過錨桿錨索施加高預緊力，保證了巷道支護的效果，增加鋼筋拖梁，增大了巷道的護表面積。保證其支護效果的前提下，對該類型巷道進行頂幫支護協(xié)調性優(yōu)化，實現(xiàn)成本和施工進度相配合，增加礦井的經濟效益，為礦井的高質量發(fā)展創(chuàng)造條件。