沿空巷道围岩变形破坏机理及控制研究

姚柏聪 崔莹妹

(辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁 阜新 123000)

1 概述

由于我国的开采深度不停加深，支护结构发展成现在的高强度锚杆支护体系，这些研究使得沿空留巷技术得到了大量的推广应用[1]。李文培等[2]通过采用连续函数描述了沿空留巷围岩位移场的分布规律；Young-Jin Shin等[3]得出了深部开采条件下围岩在渗流力作用下的破坏特征曲线；张俊文等[4]提出了“预应力锚索+锚杆承载结构”的沿空留巷道围岩支护技术；谢生荣等[5]通过精确的计算分析提出在开挖通过空巷合理的时空节点上；Johan C等[6]对松动圈做研究，提出加强对碎胀力的研究和巷道支护时对松动圈的影响较小；Ramamurthy等[7]提出了深浅孔交错注浆和对穿锚索的巷道加固方法；康红普等[8]对动压影响下巷道出现大变形进行研究提出了锚网索+注浆+底板锚索的围岩支护方案。

本文分析了在回采影响下的巷道围岩变形破坏机理及控制方法，通过理论结合实际工程进行分析总结了回采巷道破坏机理，经过室内试验原理获得围岩的基本力学参数和不同围压影响下岩石的破坏特点，通过对回采巷道破坏机理和围岩的力学性质研究，提出了可靠的支护结构设计。

2 回采巷道破坏机理

原岩应力由初始状态向新的平衡状态转化，对于煤层的开采过程，当没有空留巷道时，煤层主要采用自由塌落的形式，此时在顶板的前方的应力集中区域会大面积的产生，而当开采过程中工作面需要进行开切眼和采掘回风巷道时，此时由于巷道已经建成，当进行回采的过程中，集中应力区域会和巷道的区域进行叠加，此时巷道会受到额外较大的应力，引起巷道中应力的重新排列，对于受到采动影响的巷道，巷道经常出现破坏和失稳，除了巷道的位置因素外，工作面前推而向前挪动，当煤矿巷道开采后，采区的上覆岩层会构成矸石支撑体系并形成塌落区域，由于工作面向前挪动，作用在回采巷道前方的支持压力将逐渐增加，如图1所示是采空区应力的重新分布。

3 沿空巷道围岩力学参数研究

本次实验的岩样取自单侯矿第一工作面，这些包括煤岩，泥岩，细砂岩和粉砂岩，以上几种岩石分别进行岩石三轴压缩试验，分别获得岩样的应力应变曲线，并通过拟合方法获得岩样的物理力学参数。

砂岩等在围压条件下表现出明显的应变软化阶段和强度残余阶段，随着围压减小，煤岩及泥岩的峰值强度有所降低，其中砂岩的这种特性更加突出。

根据煤矿中的大量工程实践表明，对于回采巷道围岩支护工程来讲，软弱的围岩所受到的围压一般都远远低于岩石的脆性破坏临界点，因此，深部回采巷道在采用扰动下的围岩变形仍表现出明显的脆性破坏，并伴随着大变形特性，实验岩体在卸载过程中主要破坏特征是应变软化。这使得深部巷道围岩在峰后行为表现的更加复杂，所以在深部巷道中进行支护结构设计，还要充分考虑岩石表现出的脆性和塑性破坏的多种因素影响，通过岩石实验的测试，破坏后的岩石试样在不同围压作用下破坏特征如图2所示。

4 沿空巷道围岩变形控制方法

4.1 沿空巷道围岩支护原理

通过图3可知，矩形巷道在受力过程中，顶板最容易出现塌落的部分，实际工程中要保证巷道围岩更可靠，巷道支护过程中采用的支护方法是锚杆配合锚索加固巷道的顶板，主要是锚索或者锚杆悬把上方的岩体吊在上部安全的岩层上。

4.2 支护参数的确定

1)顶部锚索长度的确定。

根据悬吊理论及经典的塌落拱理论计算，即：

L=L1+L2+L3=3.49 m

(1)

其中，L1为锚索的外露长度，取0.2 m；L2为锚索的有效长度，对顶板而言，L2为垮落带(或离层)的高度，通过理论计算和数据拟合的方法取1.49 m；L3为锚索的锚固长度，取1.8 m。为加强支护效果，结合经验取L=5.0 m。

2)顶部锚杆长度的确定。

若把锚杆打在巷道顶部最中心位置则锚杆长度的最小值为：

(2)

3)帮部锚杆长度的确定。

若把锚杆打在帮部最顶端，则锚杆长度的最小值为：

(3)

而实际打锚杆应在帮部顶端以下，取实际锚杆长度为2.4 m。

4)锚索排距的确定。

(4)

根据经验每隔3 m打两根锚索，验算如下：

每100 m巷道上部岩体的重量为：

W=50 160 kN。

每100 m巷道，锚索与锚杆的锚固力总共为：

F=53 200 kN。

F≥W，所以布置锚杆满足要求。

5)锚杆间排距的确定。

考虑每根锚杆承载能力与垮落带内岩石重量相等，即:

(5)

为了更好的控制巷道顶板在采动影响下的大变形及潜在的坍塌范围，顶板的锚杆间排距为1.2 m，锚杆的布置形式为梅花形。

6)锚杆直径。

在锚杆的支护结构设计中大部分使用了φ20 mm的无纵筋螺纹钢，经过测试得到的锚杆抗拉拔力为80 kN，经过计算得到锚杆杆体材料抗拉强度500 MPa。

(6)

故锚杆直径满足要求。

7)锚杆的锚固力。

锚杆的锚固力应不小于被悬吊不稳定岩层的重量，依照式(7)计算，即：

Q杆=K1L2a杆1a杆2γ=74.5 kN

(7)

所以锚固力80 kN的锚杆满足使用要求。

4.3 支护结构设计

针对3号307轨道巷结构，提出了具有针对性的支护优化设计，如图4所示。

5 结语

1)根据现场实际情况，对深部回采巷道围岩变形特征进行了全面的调查研究，得出了沿空留巷的围岩受力特征，通过分析可知，巷道的失稳破坏主要受软岩地质条件的影响，巷道出现了大范围的顶板下沉断裂，说明矿压的分布及软岩的力学特性导致沿空留巷围岩的大变形失稳。

2)根据采空区围岩的力学特性和沿空巷道的力学特性，提出了支护设计方案。其中，主要利用锚杆和锚索提供支护强度，通过锚杆来加固围岩的塑性松动圈，通过锚索来控制松动范围的继续扩大。