深井高应力煤巷锚网索支护设计研究

深井高应力煤巷锚网索支护设计研究

王建明

淮南矿业集团潘一矿东区安徽淮南232001

摘要：针对潘一东井1252（1）工作面回采巷道的地质特征，分析了深井高应力煤巷围岩的变形力学机制，提出了一套以预应力锚索为核心的分段支护方案，并通过数值模拟论证了该方案下巷道围岩的稳定性，现场监测结果表明，巷道变形稳定，支护状况良好，说明1252（1）回采巷道锚索网支护参数选择合理，证明了该方案的可行性，值得推广应用。

关键词：深井高应力；煤巷；分段支护；数值模拟；现场监测

随着开采深度的不断增大，高地应力导致的工程灾害日益增多，如冲击地压、巷道围岩强流变性、大变形等，对煤炭资源的安全高效开采造成了巨大威胁。其中，深部巷道围岩大变形频繁发生成为干扰煤炭正常开采的一大因素，由于巷道赋存的地质条件和地应力环境的复杂性，很难给出一个普适的支护模式来解决所有的巷道围岩大变形问题，因此，本文根据淮南矿区潘一东井1252（1）综采面顺槽现场实际，分析了煤巷围岩的变形力学机制，提出相应支护方案，并通过数值模拟和现场监测验证其有效性。研究结论可为同类巷道支护提供参考和借鉴。

1工程概况

潘一东区1252(1)综采面为西一（11-2）采区-848m水平11-2煤层首采工作面，工作面标高-738～-823m，地面标高+21.5～+22.1m，该面11-2煤层赋存稳定，煤层倾角3°～9°，结构简单，以暗煤为主，硬度稍大，煤层厚度1.7～2.87m，平均厚2.26m。根据相应测试结果，最大主应力在20MPa以上，预计矿压显现剧烈。

1.1巷道围岩概况

煤层直接顶为复合顶板，由砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩、粉砂岩、细砂岩和11-3煤层组成；老顶为灰色-灰白色细砂岩；直接底为砂质泥岩，心砂泥质结构，块状为主，偶见植物化石，层面见云母碎片，性脆，断口为参差状；老底为灰白色细砂岩和粉砂岩。1252(1)工作面掘进区域范围内11-2煤层顶底板柱状见图1所示。根据勘察资料，巷道围岩裂隙发育，稳定性差，尤其是巷道顶板岩性变化大。

1.2水文地质概况

该面水文地质条件简单，预计主要充水水源为煤层顶板砂岩裂隙水，在工作面巷道揭露断层带附近，裂隙发育或顶板破碎地段可能有滴、淋水现象。

2巷道围岩变形机制及支护原理

2.1深井煤巷围岩的变形力学机制

煤层巷道（如工作面顺槽）基本是沿煤层顶板施工的，巷道顶板基本上为层状顶板。巷道开挖前，煤层顶板之上的层状岩层相互挤压咬合，不会沿层面发生滑移错动。巷道开挖后，层状岩层会产生两类破坏效应：一是由于各岩层的刚度不同而产生沿垂直层面方向上的离层膨胀；二是产生沿层面方向的相对剪切滑移。这两种破坏效应将使岩层产生两种变形，即巷道围岩的结构变形和巷道围岩的松动扩容变形。深井高地应力条件则加剧了这两种变形的发生。

2.2锚杆-锚索支护体系作用原理

锚杆—锚索支护体系的作用原理就是在巷道开挖初期发挥锚杆的柔性主动支护效应，后期发挥锚索的悬吊作用，从而将锚岩支护体特性与锚索力学特性有机地结合起来，达到控制巷道大变形的目的[5]。对于深井高应力的煤层巷道的围岩控制，通过锚杆提供足够高的初始预紧力和合理的支护强度，从一开始就对围岩进行强有力的作用，消除围岩的初期松动变形，调动围岩整体承载能力。

2.3支护原则

由于1252（1）首采面掘进区域内顶板岩性相变较大，因此，应根据顶板岩性结构分区段确定1252（1）首采面轨道顺槽和运输顺槽锚索网支护参数。锚杆和锚索均采用组合支护。其原因是：（1）增大锚杆和锚索的支护表面积，减轻单体锚杆和锚索与围岩局部接触产生的点载荷作用而造成围岩挤压破坏；（2）提高顶板支护的整体性，从而有利于保持顶板的完整性。对于构造破碎带区段，应强化锚索支护作用，或者采用架棚支护，以防止顶板出现漏冒顶事故。

3支护方案设计及支护参数

巷道设计断面为：宽×中高=5.0×3.4=17.00m2。基于围岩地质条件和地应力现状，结合前述分析，确立以预应力锚索为核心的分段支护方案。典型巷道支护断面见图2。

巷道顶板支护结构包括3部分：（1）锚杆+M5钢带；（2）10#金属网；（3）锚索+14#槽钢。巷道两帮部支护结构包括2部分：（1）锚杆+M5钢带；（2）10#金属网。具体支护参数见表1。

4支护方案数值模拟分析

采用有限差分法程序FLAC3D对支护方案进行稳定性分析[6,7]，根据巷道不同区段的顶板地质条件，建立两种数值计算模型。模型侧面限制水平位移，底面限制垂直位移，模型上部模拟上覆岩层的重量，施加垂直应力20.75MPa，侧压系数取1，计算采用Mohr-Coulombplasticitymodel本构模型，应变模式采用大应变变形模式，材料破坏遵循Mohr-Coulomb强度准则。煤岩层物理力学参数可见表2。

由于岩体抗拉强度比抗压强度低很多，易发生受拉破坏，因此拉应力区即是围岩潜在的破坏区，可从最小主应力云图中是否出现拉应力区判断围岩是否破坏。图3显示，两种方案下巷道围岩中均未出现拉应力区，说明巷道支护状况良好。

（a）砂岩顶板区段(b)泥岩顶板区段

表3给出了不同区段巷道围岩最大位移值，可以看出巷道围岩变形呈现明显差异。顶板岩性相对较差导致泥岩顶板区段顶板下沉量较大，但是两帮移近量及底臌量均有所减小，这是由于该区段顶板锚索支护密度大，而顶板锚索对巷道两帮及底臌的控制有利。数值模拟表明两种方案下巷道最小断面均能满足巷道安全使用需要，说明1252（1）回采巷道锚索网支护方案设计合理。

5现场监测分析

为掌握潘一矿东区1252（1）首采面顺槽锚索网支护的矿压显现规律，验证锚索网支护的实际效果，并为本矿类似条件巷道选择合理支护方式与支护参数提供实测依据，对巷道的变形和顶板离层进行了现场监测，如图4和图5所示。

监测数据显示，巷道开挖后有一个变形逐渐增大的过程，7～10天左右基本达到最大，其后便呈现稳定状态，监测结果与数值模拟结果较好的吻合。图4显示，泥岩区段两帮移近量在250～450mm之间，顶底板移近量在250～350mm之间，砂岩区段两帮移近量在200～250mm之间，顶底板移近量在100～150mm之间。这说明，砂岩区段巷道变形控制效果由于泥岩区段。图5显示，各测站顶板深部和浅部离层曲线变化趋势基本一致，泥岩区段顶板深部离层量在70～90mm之间，浅部离层量在50～60mm之间，砂岩区段顶板深部离层量在50～60mm之间，浅部离层量在25～45mm之间。同样说明，由于泥岩比较破碎软弱，变形量要大于砂岩区段。总体来看，采用上述支护方式完全能够满足首采面顺槽支护的要求。

6结论

（1）以淮南潘一矿东区1252（1）综采面顺槽支护为背景，分析了深井高应力煤巷围岩的变形力学机制，结合现场地质条件，针对巷道围岩岩性结构变化提出了以预应力锚索为核心的分段支护方案，并通过数值模拟软件FLAC3D进行论证，数值模拟表明，巷道围岩均未出现拉应力区，且变形后巷道最小断面均能满足巷道安全使用需要。

（2）现场监测结果表明巷道变形稳定，支护状况良好，说明1252（1）回采巷道锚索网支护参数选择合理，证明该方法是一种可行的设计方法，值得推广应用。

参考文献

[1]何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学及工程灾害控制研究[J].煤矿支护.2007(3):1-14.

[2]谢和平.矿山岩体力学及工程的研究进展与展望[J].中国工程科学.2003(3):31-38.