深部极软弱围岩长距离回采巷道支护技术研究

裴 松，万志军，张 源，朱成坦

（中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州221116）

1 1207工作面回采巷道围岩情况概述

新安煤矿1207工作面回采巷道埋深在720～1 100m之间，位于安口～新窑向斜的轴部附近，小构造相对较发育，顶底板主要由泥岩、砂质泥岩组成，抗压强度极低，直接顶厚度不稳定，有“草帽滑”现象，裂隙发育，破碎易冒（表1）。

表1 1207工作面回采巷道煤层与顶底板岩层力学参数

1206掘进工作面巷道围岩顶底板最大变形量1250mm；两帮最大变形量850mm。1207工作面回采巷道埋深更大，应该有更大变形量，推测1207掘进工作面巷道顶底板最大变形量在1500mm以上，两帮最大变形量1000mm以上。

岩性极软弱：通过对新安煤矿回采巷道顶底板岩石进行X射线衍射分析及力学参数测定得知：岩石中含有较多的高岭石、伊利石、石英，有部分菱铁矿，及少量长石、方解石、白云石、伊蒙混层等矿物，围岩泥化、砂化现象非常严重。

围岩应力水平高。①巷道埋深大：新安煤矿1207工作面回采巷道埋深900m左右，巷道上覆岩层的静水压力约为23.5MPa。随着开采深度增加，应力的增大，软岩大变形特征将愈加明显。②构造应力大新安煤矿1207工作面回采巷道位于安口—新窑向斜轴部附近，存在较大的构造应力，且巷道与主要构造应力夹角为40°左右。根据水平应力理论当巷道轴向与构造应力的夹角小于25°30°时，对巷道围岩的稳定性影响较小；夹角大于25°30°时，对巷道围岩稳定性影响较大。

2 巷道支护方案设计

根据已有的工程实践，结合1207工作面具体地质条件，提出四种支护方案。四种方案护表构件均为：钢带采用直径12mm，Q235－AF（A3）型圆钢焊制，规格为长4.16m、3.36m、2.56m。

方案一锚杆支护。①巷道断面：断面为拱形，净断面尺寸：宽×高＝5.0m×3.0m，巷道沿煤层底板掘进。②顶帮支护：巷道顶板：选用9根Φ22×2500mm的左旋高性能螺纹钢锚杆（可实现连续一体化安装）。顶板锚杆间距为800mm，垂直顶板布置，如图1所示。两帮：各选用2根Φ22×2200mm的普通螺纹钢锚杆。帮锚杆间距如图1所示，帮中部1根锚杆垂直煤帮布置，底角锚杆布置角度为30°。③锚固方式：锚杆采用端部锚固方式。④锚杆排距：初步确定锚杆排距为800mm。菱形网：菱形金属网不仅可以维护锚杆之间的围岩，防止破碎岩块垮落，而且它紧贴在巷道表面，能够提供一定的支护力，将锚杆之间岩层的载荷传递给锚杆，形成整体支护系统，一定程度上可以改善巷道表面岩层的受力状况。10＃铁丝编织，规格为宽×长＝1000mm×6000mm和宽×长＝1000mm×3000mm两种。木托板：长×宽×厚＝400mm×200mm×50mm的新木料，必须使用优质湿柳木加工而成。金属网：Φ6.5mm、规格为长×宽＝2000mm×900mm。

方案二锚杆锚索联合支护。①顶帮支护：巷道顶板：选用9根Φ18.9×4000mm的单根钢绞线预应力锚索。顶板锚索间距为800mm，如图2所示。两帮：各选用2根Φ22×2200mm的普通螺纹钢锚杆。帮锚杆间距如图2所示，帮中部1根锚杆垂直煤帮布置，底角锚杆布置角度为30°。②锚固方式：锚杆（索）采用端部锚固方式。③锚杆（索）排距：初步确定锚杆（索）排距为800mm。

图1 方案一锚杆支护方案示意图

图2 方案二短锚索支护方案示意图

方案三锚杆锚索联合支护。①顶帮支护。巷道顶板：选用6根Φ22×2500mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆（可实现连续一体化安装）和3根Φ18.9×8000mm的单根钢绞线预应力锚索。顶板锚杆间距为800mm，锚杆垂直顶板布置，锚索间距1600mm，布置方式如图3所示。两帮：各选用2根Φ22×2200mm的普通螺纹钢锚杆。帮锚杆间距如图3所示，帮中部1根锚杆垂直煤帮布置，底角锚杆布置角度为30°。②锚固方式锚杆（索）均采用端部锚固方式。③锚杆（索）排距：初步确定锚杆排距为800mm，锚索排距为1600mm。

图3 方案三锚杆锚索联合支护方案示意

方案四长短锚索联合支护：①顶帮支护。巷道顶板：选用6根Φ18.9×4000mm的根钢绞线预应力锚索（可实现连续一体化安装）和3根Φ18.9×8000mm的单根钢绞线预应力锚索，锚索布置中采用“两短一长”的布置方案，即打两排短锚索，再打一排长锚索，在长锚索中间贯穿布置短锚索。顶板短锚索间距为800mm，垂直顶板布置，长锚索间距1600mm，布置方式如图4所示。两帮：各选用1根Φ18.9×4000mm的根钢绞线预应力锚索和1根Φ22×2200mm的普通螺纹钢锚杆，帮中部1根锚索垂直煤帮布置，底角锚杆布置角度为30°，如图4所示。②锚固方式：锚索均采用端部锚固方式。③锚索排距：初步确定短锚索排距为800mm，长锚索排距为1600mm。

图4 方案四长短锚索联合支护示意图

3 巷道支护方案数值模拟研究

3.1 模型的建立

选取巷道走向中轴线为研究对象，建立三维力学模型。

模型尺寸为100m×100m×61m。

边界条件：模型X、Y方向速度固定，Z方向速度自由，模型底部位移固定，顶部受均被载荷，为自由边界，模型两侧各留40m以消除边界效应。

破坏准则：摩尔库伦屈服准则。

3.2 结果分析

根据前述提出的四种支护方案，模拟不同支护条件下巷道变形情况，用以选择合理的支护方式。

四种支护方式得到的巷道变形结果如图5～12所示。

1）通过图5、图6可知，方案一产生的巷道最大顶底板移近量为2530mm，两帮移近量为950mm，巷道变形较为剧烈，基本无法使用。表明单纯的锚杆支护完全不能满足要求。

2）通过图7、图8可知，方案二产生的巷道最大顶底板移近量为1625.8mm，两帮移近量为526mm，巷道变形较方案一有所改善，但仍旧较为剧烈。由于方案二中锚固范围较方案一大，因此对围岩加固作用较方案一明显，对巷道变形起到一定的限制作用，但该作用尚不满足生产要求。

图5 锚杆支护垂向位移场图

图6 锚杆支护水平位移场

图7 短锚索支护垂向位移场图

图8 短锚索支护水平位移场

图9 锚杆锚索联合支护垂向位移场图

图10 锚杆锚索联合支护水平位移场

图11 长短锚索联合支护垂向位移场图

3）通过图9、图10可知，采用方案三巷道产生的最大顶底板移近量为838mm，两帮移近量为247mm。方案三与方案一相比顶板下沉有明显改善，两帮移近量也相对减小，说明8m长锚索发挥了显著的悬吊作用，将巷道直接顶悬吊在老顶上，减小了巷道两帮所受的顶板载荷。结果表明长锚索一方面发挥悬吊作用，对两帮受力有一定改善；另一方面将直接顶与老顶岩层组成组合梁，增大了整体的抗变形能力，使顶板下沉显著减小。

图12 长短锚索联合支护水平位移场

方案三与方案二相比两帮移近量有所增加。原因在于方案三两帮采用2500mm长的锚杆支护，比方案二中采用的4000mm锚索锚固范围小，且锚杆由于较短无法将直接顶悬吊在基本顶上，所以变形相应增大，表明4000mm的锚索对围岩控制效果比锚杆更为明显。

4）通过图11、图12可知，采用方案四巷道产生的最大顶底板移近量为453mm，两帮移近量为127mm，巷道变形得到明显改善，表明采用4000mm锚索和8000mm长锚索联合支护大大增加了锚固区范围，锚索悬吊作用明显，极大改善了锚固区范围内围岩受力状态，有效控制了围岩变形，满足安全生产的要求。

因此，最终确定选择方案四。

4 巷道覆岩变化规律实测分析

根据1207工作面回采巷道钻孔的布置及实测结果，对观测结果进行分析。

图13给出了距孔口不同的距离的顶板变化情况：在距离孔口最近处，直接顶虽是砂质泥岩，易破碎，下方有金属菱形网支撑，在30cm处没有出现明显的破碎，随着孔距的加深，顶板破坏较为明显，直接顶的厚度约为120cm，在80cm和130cm处均出现了明显的裂隙，在此处出现了离层，老顶为中粒砂岩，在150cm和193cm处也出现了明显的裂隙，由于1207工作面回采巷道处于向斜构造带中，且钻孔附近有小型断层，导致了老顶的底部裂隙的出现。在钻孔深度为251cm以上时，未出现任何裂隙，说明此支护方案起到了较好的支护效果。

图14中所示的钻孔变化情况与图5的变化情况基本相同。

图13 1207轨道巷掘进50m处顶板钻孔探测图

图14 1207轨道巷掘进100m处顶板钻孔探测图

5 主要结论

1）根据实际情况，提出了四种巷道支护方案，通过数值模拟方法，对各种支护方案的支护效果作出预计。

2）采用数值模拟计算方法，对四种巷道支护方案进行模拟，根据模拟结果对比分析，方案四的顶底板、左右两帮的变形量最小，确定为最佳的巷道支护方案。

3）通过对回采巷道顶板钻孔的实测，观测巷道顶板直接顶及老顶的裂隙情况，根据观测结果，说明全断面长短锚索“两短一长”耦合支护技术有效地控制了顶板的离层及老顶的破坏，此种支护方案下可以有效地控制顶板的稳定。

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