巷道围岩控制技术的分析研究

巷道围岩控制技术的分析研究

白峰

陕西陕煤澄合矿业有限公司西卓煤矿 陕西省合阳县715300

摘要：随着煤炭能源需求量的增加，煤矿开采深度和频率也在增多。其中，锚杆支护技术在我国中浅部煤层对称断面巷道的支护中广泛应用并取得了良好的围岩控制效果。但矿井进入深部开采后围岩应力环境复杂，同时大倾角煤层回采巷道常采用斜梯形等非对称断面，非对称巷道断面的围岩结构使得其承载状态异于普通浅部煤层对称断面的巷道，传统的锚杆支护难以取得理想的围岩控制效果，巷道掘成后易发生显著变形及整体结构失稳。因此，需研究并提出巷道围岩变形控制技术，控制巷道掘成后的变形量以保证正常使用，有诸多学者曾对此进行了研究并取得了丰富的理论和现场实践效果。

关键词：巷道；围岩；控制技术

引言

在煤矿开采中，煤巷锚杆支护技术一直都是维护围岩稳定性的关键所在，也是实现煤矿高效安全开采的强有力保障，且其还具有支护成本低的优势，能够显著改善井下作业环境，还可提高矿井的经济效益。锚杆支护机理有悬吊理论、组合梁理论、减跨理论、组合拱理论、预应力支护理论、围岩强度机理以及围岩松动圈理论，这些理论的研究为锚杆支护技术提供了很好的突破口，推动着锚杆支护技术不断走向完善。目前，在巷道围岩控制中，多采用联合支护形式，该技术的支护体具有整体性，锚索预应力范围大，且适量的变形还有益于对围岩的控制，其内部压力在开采中可得到释放，给巷道两帮及顶底板留有变化余地，进而保证围岩能够在可控的范围内产生变形。所以，随着巷道围岩控制技术地不断深入研究，以锚杆支护为主体的锚网索联合支护技术在巷道围岩中得到了很好的应用。

1巷道围岩锚固机理

1)锚注加固机理分析。锚注支护技术结合注浆加固和锚喷支护的优势，首先利用中空锚杆进行围岩注浆，填充内部裂隙，提高围岩整体的完整性，然后进行挂网喷射混凝土，实现对巷道变形的有效控制，提高巷道围岩的稳定性。通过锚注支护，可以有效改善锚固围岩的力学性能，增强围岩峰后残余强度，提升巷道稳定性，较单纯进行注浆支护或单纯进行锚杆主动支护效果要好。锚注支护能够充分保证支护结构的完整性，其作用机理主要体现在:①壁厚充填加固;②裂隙充填与压密;③形成网格骨架;④提高锚杆抗腐蚀性;⑤改善锚杆着力基础;⑥提高围岩体与支护结构间的粘结作用;⑦与支护构件形成一种类似组合拱的结构，改善应力传递方式。

2)破碎围岩注浆加固作用分析。基于摩尔库伦准则进行锚注加固机理分析，当巷道或硐室开挖后，围岩应力发生改变，由最初的三向受力转变为双向甚至单向受力，当岩体强度较低时，即前述的C和φ数值较小时，围岩在剪切应力的作用下易发生变形破坏，当破坏范围扩大，在巷道围岩浅部将形成围岩松动圈，松动圈内围岩自身仍具备一定的残余强度，通过锚杆注浆可以有效填充松动圈内的裂隙，提升浅部围岩的残余强度，使摩尔圆远离包络线。

2巷道围岩控制技术

某煤矿工作面运输巷沿煤层底板掘进，全锚支护，设计长度2301m，矩形断面，净宽×净高=5.0m×3.5m。8107运输巷预计掘进至1200~1300m时揭露F317断层，断层倾角∠40°，落差8.5m。由于断层落差较大，为保证巷道的稳定性及掘进效率，需对巷道过断层围岩控制技术展开研究。

2.1超前预注浆加固技术

由于围岩强度低，在重力及构造应力的作用下，巷道变形量较大，围岩松散破碎，仅依靠临时支护无法有效控制巷道变形破坏，且会严重制约掘进效率。通过超前预注浆加固技术可以有效填充围岩裂隙，提高破碎围岩的完整性及承载能力，使得锚固结构能够充分发挥主动支护作用。该注浆加固材料主要具有以下特征：

（1）浆液的主要组分为无机矿粉，不具腐蚀性及污染性，不会发生自燃，为安全环保材料；

（2）材料加水搅拌后的泌水率低，且渗透性较强，其渗透扩散半径可达到7~10m，覆盖范围较大；

（3）凝结速度较快且强度高，注浆后一般在0~6min内失去流动性，6~14min后形成固体，8h后的强度可达到9~23MPa；

（4）根据巷道围岩的破碎程度调整浆液水灰比，调节范围0.5:1~2.0:1。

对巷道进行超前预注浆加固后，需对断层破碎带影响区域的巷道支护方案进行优化，具体支护参数如下：

顶板采用直径为22mm、长度为2400mm的无纵筋高强锚杆支护，锚杆间距为900mm，排距为1000mm，每排布置6根，靠近肩窝侧的两根锚杆与垂线呈15°夹角向外倾斜施工，其余锚杆均垂直于顶板施工。锚杆的屈服强度应不低于400MPa，预应力扭矩应大于350N·m。顶锚索为直径18.9mm、长度7300mm的高强度钢绞线，间距及排距均为2000mm，每排布置2根，并保证每根锚索的预紧力不低于320kN。巷道两帮支护的锚杆规格与顶板一致，锚杆间距为2000mm，排距1000mm，每排4根，要求锚杆预紧力矩不小于350N·m。靠近顶底板锚杆施工角度与水平成15°角，其余锚杆施工角度与巷帮垂直。采用直径18.9mm、长度5300mm的锚索加固巷帮，间距1600mm，排距2000mm，每排布置2根，分别向顶底板倾斜15°施工，并保证预紧力不低于150kN。

2.2锚网索联合支护技术

针对深井大倾角煤层围岩承载程度高及非对称变形破坏的特征，提出非对称的锚网索联合支护方案，通过在顶板布置强力锚索提升顶板岩层承载能力，限制顶板离层现象的发生，同时增大锚杆的支护密度，通过锚杆的协同锚固作用提升煤帮的整体性和抗变形能力，控制煤体变形破坏。

2.3迎采掘进沿空巷道围岩控制技术

2.3.1留设合理宽度煤柱优化应力环境

工作面回采后采空区侧向支承压力增大，掘进巷道一侧受侧向支承压力影响造成应力集中。同时，掘进巷道由于自身破煤开掘同样造成巷道围岩应力集中。煤柱宽度增大后，可以有效避开应力叠加区域，保留稳定结构的围岩承载区域。

2.3.2构建巷道围岩承载圈

沿空巷道围岩采用锚杆（索）进行支护与加强支护，通过对锚杆（索）施加预紧力后，预紧力由锚杆（索）支护构件向巷道围岩体内扩展。此时，锚杆（索）、巷道围岩体以及预紧力三者共同作用形成锚固区。多根锚杆（索）预紧力扩展区的相互叠加形成稳定的围岩承载圈。

2.4掘锚机技术改造

在掘锚一体化系统工作的过程中，铲板在升起或者下降的过程中，主要是通过铲板的升降油缸推动输送滑槽达到升降效果。在向前运动的过程中，铲板受到落煤两侧较大压迫力的影响，导致铲板工作时，超过极限位置，油缸就会出现脱落问题，设备运行也会受到影响，甚至会出现损坏。在本次施工的过程中，对于两侧的伸缩铲板为了更好保护，在底板和伸缩铲板之间，选择使用了两条重链条的方式进行连接，对于两端选择使用马蹄环进行焊接。在对设备进行技术改造后，掘锚一体机铲板整体的承载能力相对于原来有了明显提升，对于铲板工作的极限位置起到了明显的机械保护效果，耙装能力也明显提升，装煤效率增加明显。

结语

随监测时间推移，锚杆锚索所受轴力增大，其具有较大的承载能力，从而表明锚杆锚索支护对围岩变形具有很好的控制效果。

参考文献

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[3]康红普，王金华，林健.煤矿巷道支护技术的研究与应用[J].煤炭学报，2010，35（11）：1809-1814.