深部软岩巷道支护技术研究

　总第２３３期深部软岩巷道支护技术研究

张帅义

（汾西矿业集团公司双柳煤矿，山西吕梁　０３３３００）

摘　要：基于目前在深部软岩巷道开采中存在的技术缺陷，文章以某矿运输巷道作为研究背景，通过数值计算、理论分析及现场实测等方法对目标巷道的破坏形式进行了具体的研究，基于相应的研究结果提出了适合目标矿井的巷道支护方案。研究结果表明，采用锚杆＋锚索的支护方式能够在一定程度上有效防止巷道围岩的变形。

关键词：深部软岩巷道；巷道变形；支护技术

中图分类号：ＴＤ３５３　　　文献标识码：Ｂ　　　文章编号：１００５２７９８（２０１９）０１００５１０３???

１　工程背景

本研究对应的运输巷道位于目标矿井５号煤层，巷道的掘进方向沿直接顶的发展方向推进。直接顶属于粉砂岩结构，平均厚度３ｍ，岩体强度系数为１．９５ＭＰａ，单轴抗压强度为２５ＭＰａ，直接顶初次来压步距为７．５～９ｍ。基本顶中夹杂较薄的煤线，整体属于中砂岩结构，岩石硬度较大，初次来压步距为８～１０ｍ，填充系数平均为０．８５，属于中等稳定岩

２

层，初次来压当量约为６５０ｋＮ／ｍ，来压强度为Ⅰ级。直接底平均厚度约为２ｍ，岩体主要为薄层状的粉砂质泥岩，岩体单向抗压强度为２７．８ＭＰａ，载荷强度２．１７ＭＰａ，来压强度为Ⅰ级，属于极软型底板。基于以上地质特征，综合分析认为目标矿井运输巷道的岩性属于软岩巷道。

８６７５个节点。元，包含４

图１　力学模型

２　支护方案设计

２．１　巷道破坏分析

结合目标运输巷道的相关地质资料，本研究通

３Ｄ

过ＦＬＡＣ软件对巷道的变形特征进行进一步的分析研究。根据工作现场需求，主要的研究区域应当

３Ｄ

位于边界效应的影响区域之外，通过ＦＬＡＣ进行数值模拟并建模，确定出相应的力学模型如图１所示。数值模型采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ本构模型，模型具体尺寸为６５ｍ×３０ｍ×４０ｍ，在模型底部设置固定边界条件实现巷道的模拟，设置的构造应力属于单斜构造应力，此应力来源于正断层的构造应力，巷道的覆岩应力通过在模型表面设置应力边界实现，设置的模型如图２所示。其中，模型共包含４３８６５个单

图２　数值模型

　　巷道的变形情况主要包含以下几个方面：

１）　巷道开挖过程中，巷道两帮逐渐向巷道的中心位置移动，同时顶板出现明显的下沉，其位移场变化如图３（ａ）所示。顶板垂直位移量最大可达１８．２ｍ，同时随着掘进范围的扩大，巷道变形范围逐渐增大。图３（ａ）模拟结果表明，巷道底板鼓起约５ｃｍ，两帮位移量约为６ｃｍ，变形区域范围相对较小。

２）　随着巷道的持续开挖，巷道的顶底板区域范围内逐渐形成应力释放区，巷道垂直应力的分布情况如图３（ｂ）所示。从直接顶位置开始，应力值逐

收稿日期：２０１８１１２１??

作者简介：张帅义（１９８７－），男，山西平遥人，工程师，从事生产技术工作。

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２０１９年１月　　　　　　　　　　　　　张帅义：深部软岩巷道支护技术研究　　　　　　　　　　　　　第２８卷第１期

渐增加，同时围岩应力逐渐由巷道顶底板转移向巷道的两帮，从而出现应力集中的现象。在此时间范围内，应力的最大值可达７．９ＭＰａ，且最大应力区域位于巷道两帮斜上方位置。

３）　在巷道的掘进过程中，巷道出现塑性破坏，其破坏形式如图３（ｃ）所示，其中，破坏类型主要为剪切破坏，同时破坏后巷道呈现蝴蝶型，破坏区域向上延伸６ｍ，向下延伸１ｍ，两帮延伸宽度约为２ｍ。４）　巷道开挖过程中巷道空间结构的变化如图３（ｄ）所示。由图可知，随着巷道的开挖，整个巷道的变形呈现对称结构。其中，由于岩体的自重影响，顶板沿应力方向向上突起，对应的底板则呈现出向下凹陷的状态，整个巷道的变形形成组合拱结构，拱形区域与巷道的两帮相连接，靠近两帮的位置向下沉陷，临近区域范围内逐渐向上突起，最终逐渐向下移动形成稳定的拱形结构。

综上所述，由于巷道开挖会对巷道的应力分布产生一定程度的影响，主要体现在巷道顶板无支护且原岩应力重新分布。主要特征体现在，巷道上覆岩层形成压力拱，同时压力拱随巷道推进逐渐向两

帮移动，最终达到稳定状态［４－５］

。基于此，巷道的稳定程度主要取决于巷道顶板的稳定性，而合理的支

护工艺是保证巷道稳定性的关键。

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图３　巷道破坏情况

２．２　支护方案选择

综合已有研究结果，软岩巷道的顶板变形较为显著，同时其上覆岩层中关键层位置较高，很难形成稳定结构。基于此，若选择常规的锚杆支护很难满足此地质条件下的支护需求，普通锚杆无法达到其稳定性需求，导致支护成本增加，而锚网索支护方式能够有效保护上覆岩层中的破碎结构，有效解决了传统锚杆支护距离较短的缺陷。软岩巷道的破碎区域较大，有效的支护是保证安全生产的前提。综合

多方面因素，本研究选用锚索＋

金属网、帮部锚杆联合支护方式。

根据相关理论计算，最终确定支护所选用的锚杆规格为Ｄ２２ｍｍ×３５００ｍｍ，布置过程中锚杆间排距设置为８００ｍｍ，锚杆扎入时向上倾斜４°，向下倾斜１５°。巷道帮部安设９００ｍｍ×１５００ｍｍ的铁丝网与锚杆相结合完成支护工作。支护选用的铁丝网直径为Ｄ０．５５ｍｍ，网孔规格为５０ｍｍ×５０ｍｍ，单独铁丝网之间连接宽度为１００ｍｍ，连接间距为２００ｍｍ。连接帮部的铁丝采用双股的１４号铁丝，同时配合使用１４号长度为２８００ｍｍ的槽钢，进一步保障支护的效果，具体的支护情况如图４所示。

图４　巷道支护方案（ｍｍ）

２０１９年１月　　　　　　　　　　　　　张帅义：深部软岩巷道支护技术研究　　　　　　　　　　　　　第２８卷第１期

３　支护效果理论验证

基于已有的计算结果，本研究通过数值模拟的方法对改造后的巷道围岩稳定性及围岩变形特征进行了进一步的分析认证，分析结果如图５所示。

１）　巷道支护方案选用改进后的方案后，位移场中巷道边缘应力密集程度明显降低，同时围岩变形区域及相应的位移量也在一定程度上明显减小，其中，相对于未改进前，巷道顶板移近量降低至３２ｍｍ，两帮移近量降低至１５ｍｍ，底鼓量降低至１６ｍｍ，可见改进后的支护技术在一定程度上有效控制了巷道的围岩变形，关于位移场的变化如图５（ａ）所示。

２）　采用改进后的支护技术进行巷道支护后，巷道应力拱区域范围明显减小，同时应力释放值降低至０．０８ＭＰａ，集中应力值增加至１２．５ＭＰａ，同时随着巷道集中应力的增大，集中应力区域逐渐向巷道两帮移近，关于应力场的变化情况如图５（ｂ）所示。

３）　改进支护方案后，巷道围岩塑性变形区域显著缩小，整体范围向下移动至１ｍ，相对于未改进降低５０％，塑性变形区向上延伸高度相对于未改进前降低２ｍ，两帮变形宽度减小３ｍ，相对于未改进前减少４０％，可见改进之后的支护技术能够有效控制巷道围岩的变形，关于其塑性变形分布情况如图５（ｃ）所示。４）　改进支护方案后，巷道顶板空间沉降范围显著降低，同时巷道两帮的变形量也在一定程度上减小，具体的空间结构变化如图５（ｄ）。综上所述，改进之后的支护方案通过锚网索与深部围岩的相互作用，上覆岩层的稳定性增强，顶板集中应力逐渐向顶板关键层及巷道两帮转移，最终导致顶板的变形量显著降低，使巷道的顶板维护工作更为高效、简便。同时，巷道帮部使用的锚杆支护技术能够使巷道在承受顶板集中应力的情况下有效控制其变形量，从而形成较为稳定的巷道支撑结构。

图５　空间结构变化

４　现场实践结果分析

基于以上理论研究成果，本研究在目标矿井运

输巷道进行了相应的实践监测，监测结果如下：１）　顶板离层监测。通过对目标巷道进行为期６０ｄ的连续监测，改进支护条件下的巷道并未出现显著的变形。当监测时间达到４０ｄ时，巷道上方

约３

．８ｍ处岩体的离层量约为５ｍｍ，同时后续阶段巷道的变形情况并未加剧，表明改进后的支护技术能够有效控制巷道的变形。

２）　锚杆受力监测。通过对支护过程中锚杆的受力情况进行连续的监测，结果表明，在巷道开挖的初级阶段，锚杆受力变化较为显著，但后期的受力情况逐渐趋于稳定，稳定条件下单根锚杆平均轴力基本维持在２５ｋＮ左右。即锚杆受力集中程度较为稳定，能够在一定程度上有效避免因锚杆差异而造成的巷道围岩稳定性变化，能够满足工程质量需求。

３）　巷道表面位移监测。（下转第６９页）

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２０１９年１月　　　　　　　　薛林辉：浅析近距离煤层采空区煤壁下方巷道矿压规律研究　　　　　　　　第２８卷第１期

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图７　采空区煤壁下方胶带大巷右帮测力

锚杆轴向工作载荷时间曲线

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开采异常矿压机理［Ｊ］．煤炭学报，２０１７，４２（Ｓ１）：２４－２９．

［责任编辑：常丽芳］

　　由监测结果发现处在采空区下的９号煤层胶带大巷采用矩形断面形式及现有支护方案难以满足巷道稳定性支护要求，需要加强顶板锚索支护强度，应当加强监测并确保支护强度，以免导致支护体系失效。

檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰檰（上接第５３页）通过在指定位置设定监测站，巷道表面位移量随时间的变化情况如图６所示。

在１２ｄ后达到稳定状态，最大移近量为５ｍｍ。２号观测站巷道顶底板变形量在１３ｄ后基本达到稳定状态，最大移近量为５ｍｍ，两帮移近量在２５ｄ后达到稳定状态，最大移近量为５ｍｍ。两个观测站检测到的巷道顶底板移近量及两帮移近量都在安全规范的指定范围内，表明改进之后的“顶板锚网索＋两帮锚杆支护”方案能够有效解决目标矿井运输巷道的变形问题，同时保障矿井的安全、高效生产。参考文献：

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特征与支护技术［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１５，３４（１１）：２２７－２４１．

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技术应用［Ｊ］．煤炭技术，２０１７，３６（１）：１１０－１１２．［５］　李　健，艾德春，魏中举．六盘水矿区软岩巷道支护技

术研究［Ｊ］．煤炭技术，２０１６，３５（５）：４２－４４．

图６　巷道表面位移量随时间的变化曲线

［责任编辑：常丽芳］

１号观测站巷道顶底板变形量在１２ｄ后基本达到稳定状态，最大移近量为１０ｍｍ，两帮移近量同样

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