60-20-深部破碎巖層巷道支護技術(shù)研究-2021年第1期

1、60-20-深部破碎巖層巷道支護技術(shù)研究-2021年第1期巷道支護理論與技術(shù)深部破碎巖層巷道支護技術(shù)研究董尹庚（神華包頭礦業(yè)有限責任公司李家壕煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000）摘要針對深部破碎巖層巷道支護困難的問題，探討了深部圍巖耦合支護機理：二次承載圈通過一次支護錨桿錨固端為一次承載圈提供力源；一次承載圈對二次承載圈的變形進行約束，阻止二次承載圈內(nèi)圍巖進一步破壞；一次承載圈和二次承載圈的協(xié)調(diào)變形能夠壓實、強化一次承載圈，釋放二次承載圈的部分變形能。通過數(shù)值模擬對巷道支護合理性進行驗證，結(jié)果表明：巷道兩幫應力集中現(xiàn)象明顯降低、屈服范圍大大減小，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平康玫搅擞行Э刂?。關(guān)鍵詞深部破碎巖

2、層巷道；承載圈；數(shù)值模擬中圖分類號TD353文獻標識碼A文章編號1006-6225（2021）01-0056-03Supporting Technology of oadway with Cracked Strata in DeepDONG Yin-geng（Lijiahao Coal Mine ，Shenhua Baotou Mining Co.，Ltd.，Ordos 017000，China ）Abstract ：In order to solve the difficulty supporting problems of roadway with cracked strata in de

3、ep ，the coupling supporting mecha-nism of surrounding rock in deep was discussed ，force resource of the first bearing ring was provided by anchored point of the first sup-porting ，which located in the second bearing ring.The second bearing ring deformation was prohibited by the first bearing ring ，t

4、he damage of surrounding rock around the second bearing ring was prohibited ，the first bearing ring could be strengthen with coordinated deformation of two of bearing rings ，partial deformation energy of the second bearing ring was relaxed.Supporting rationality was valida-ted by numerical simulatio

5、n.The results showed that the stress concentration of two sides and yield scope decreased sharply ，roof sag and two sides convergence was controlled effectively.Keywords ：roadway with cracked strata in deep ；bearing ring ；numerical simulation收稿日期20210626DOI 10.13532/作者簡介董尹庚（1962），男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，碩士，采礦高級工

6、程師，礦長，現(xiàn)從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。引用格式董尹庚.深部破碎巖層巷道支護技術(shù)研究J 煤礦開采，2021，21（1）：5658，17.在深部巖體中進行開挖后，巷道圍巖中出現(xiàn)應力集中，在深部高地應力作用下巷道圍巖產(chǎn)生破壞。由于深部巖石的“三高一擾動”復雜環(huán)境，使深部巖體的組織結(jié)構(gòu)、基本行為特征和工程響應均發(fā)生根本性變化13。王衛(wèi)軍提出了采用高強錨桿、強力錨索、注漿加固巷道的高阻讓壓和高強度支護技術(shù)，并確定了各支護階段的支護時間4。劉泉聲采用分步聯(lián)合支護，掘進工作面幫頂超前支護、一次支護和二次支護互相配合，噴錨注等多種手段共同實現(xiàn)開挖施工安全和圍巖穩(wěn)定的控制5。祁和剛等提出了采用地應力原位測量，

7、分析地應力與巷道穩(wěn)定性的關(guān)系及破壞原因，確定了巷道的支護參數(shù)6。余偉健等提出由錨桿支護壓縮拱和密集錨索支護壓縮拱構(gòu)成的承載體力學模型，推導了一次支護和二次支護的支護結(jié)構(gòu)的強度方程7。由于深部破碎巖層巷道的復雜性，盡管相關(guān)學者針對深部巷道支護技術(shù)的研究取得了一定的成果，但仍需進一步研究深部破碎巖層巷道的支護。本文分析了兩次支護各自對圍巖的力學作用，探討了雙承載結(jié)構(gòu)間力學作用關(guān)系，提出了深部破碎圍巖巷道支護方案。通過數(shù)值模擬對深部巷道圍巖應力分布、破壞變形規(guī)律進行研究，對支護的方案進行驗證。研究結(jié)果可為深部破碎巖層巷道支護提供參考。1深部破碎巖層巷道支護存在的問題實踐表明，深部巷道圍巖通常會在巷道

8、周圍產(chǎn)生一定深度的“破碎圈”。破碎的圍巖導致支護施工困難、支護效果較差。因此深部巷道應對此類巷道進行研究，進而確定相應的支護控制技術(shù)。1.1深部巷道圍巖條件分析對李雅莊礦355運輸大巷調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖具有薄層狀、碎裂、松散、膨脹、強風化蝕變和高地應力作用等特征，屬于典型的軟巖巷道。巖層力學參數(shù)如表1所示。65第21卷第1期（總第128期）2021年2月煤礦開采COAL MINING TECHNOLOGY Vol.21No.1（Series No.128）February 2021表1巖層力學參數(shù)巖石名稱密度/（kg m 3）體積模量/GPa 剪切模量/GPa 彈性模量/GPa 泊松比黏聚

9、力/MPa 內(nèi)摩擦角/（?）細砂巖 2.6921.6714.0834.720.23314.7642.0粉砂巖 2.7415.889.7124.200.24610.2339.3砂質(zhì)泥巖2.679.21 5.7114.200.2438.7138.2煤1.432.670.892.400.350 6.9336.41.2深部巷道支護存在的問題深部巷道由于其埋藏較深，巷道圍巖處于高應力狀態(tài)，很難通過目前的支護材料實現(xiàn)一次性支護控制其圍巖變形?？捎萌鐖D1所示支護體圍巖共同作用關(guān)系曲線解釋。圖1支護體圍巖共同作用關(guān)系曲線如圖1中，對于一般巷道，支護材料極限破壞強度大于所支護圍巖可施加的圍巖壓力，通常情況下可以

10、通過一次支護對圍巖變形進行控制。對于深部巷道（由深部巷道不支護變形階段、深部巷道一次支護變形階段、深部巷道二次支護變形階段三部分構(gòu)成），一次支護后支護材料的臨界破壞強度仍小于達到巷道變形施加的圍巖壓力，因此通常需要二次支護。盡管深部巷道在一次支護后不能完全控制圍巖的變形，但是一次支護后圍巖整體的承載性能發(fā)生了改變，圍巖特性曲線也發(fā)生了變化。此時，巷道圍巖變形除了與圍巖的力學性質(zhì)及地壓特點有關(guān)，還與一次支護材料、支護形式有關(guān)?？梢钥闯觯狠^早地施加支護可以較早地改變特性曲線，提高支護體利用率；由于一次支護后巷道圍巖性質(zhì)發(fā)生了改變，在一次支護后圍巖適當變形卸壓后進行二次支護，可以實現(xiàn)對圍巖變形的控制

11、。在確定支護方式后，應當對支護材料、支護技術(shù)進行針對性地研究。2深部破碎巖層巷道變形及支護機理2.1深部巖層巷道支護技術(shù)由于巷道具有強風化、蝕變、破碎、松散的特征，因此對于破碎圍巖巷道首先考慮提高破碎圍巖整體的自承能力，并阻斷圍巖表面與水和空氣的接觸。在頂板和側(cè)幫上部使用焊接網(wǎng)或金屬網(wǎng)及大變形錨桿進行支護，并加噴混凝土（厚50mm 左右），阻止破碎巖體垮落。其中，錨桿支護提高巖塊間的擠壓力，增加了巖塊間的嚙合程度，提高圍巖破碎區(qū)域整體強度；錨網(wǎng)及噴漿提高了巷道表面的完整性，改變了圍巖的受力狀態(tài)。由于巷道圍巖處于高應力狀態(tài)，一次支護的支護強度往往不足以控制圍巖的破壞，因此巷道深部圍巖發(fā)生較大變形

12、并進入塑性區(qū)，在本礦表現(xiàn)為圍巖破碎范圍增大。在巷道變形相對穩(wěn)定后，應當選擇合理的支護方式，對巷道進行二次支護。選用注漿錨桿及錨索進行支護，注漿實現(xiàn)了在巷道破碎帶圍巖形成一個整體性較好、足夠強度的自撐承壓環(huán)。此外，如圖2所示，二次支護還采用錨索支護，使錨桿支護形成的承載拱與深部圍巖聯(lián)系起來，實現(xiàn)更大范圍利用圍巖自承能力的承載圈抵抗深部高應力。而二次支護的支護力和破碎圈外完整圍巖變形可以對一次錨桿支護破碎圈提供更大的壓實作用力，提高一次支護承載圈的承載強度。圖2雙承載拱耦合作用機理2.2深部破碎巖層巷道雙承載拱支護機理雙承載圈的作用機理為：一次支護錨桿錨固端為一次承載圈提供力源；一次承載圈對二次承

13、載圈的變形進行限位約束，阻止二次承載圈內(nèi)圍巖進一步破壞；一次承載圈和二次承載圈的協(xié)調(diào)變形壓實、強化了一次承載圈，釋放了二次承載圈的部分變形能。疊加拱承載能力可按下式計算5：q =21+sin ()b l s tan a D ()a D a D l tan a 1sin ()b 20+l s D ()a ?2r s K u 0+u ()10ln00+l ()s+l s+Q 0+21+sin ()b l c tan aD()a Da Dl tan a1sin ()b 20+l c D()a E c A cl c u3（1）75董尹庚：深部破碎巖層巷道支護技術(shù)研究2021年第1期式中，K 為剪移比例

14、系數(shù)，kg /cm 3；r s 為錨桿的半徑，m ；0為全長錨桿中性點半徑，m ；u 0為巷道一次支護前巷道表面位移量，m ；u 1為巷道一次支護后、二次支護前巷道表面位移量，m ；u 3為采用錨索支護后的巷道圍巖變形量，m ；E c 為錨索的彈性模量，MPa ；A c 為錨索斷面面積，m 2；D a ，D l 分別為錨桿的間、排距，m ；Da ，Dl 分別為錨索的間、排距，m ；0為巷道的半徑，m ；b 為承載拱內(nèi)圍巖的內(nèi)摩擦角，（?）；l s ，l c 分別為錨桿、錨索的有效長度，m ；a ，a分別為錨桿、錨索在承載拱圍巖中的控制角，取45?。通過公式（1）結(jié)合地應力原位測試或支護后巷道變

15、形監(jiān)測等手段可以對錨桿錨索長度、參數(shù)進行合理選型。3深部巷道支護模擬分析采用FLAC 3D軟件，模型為彈塑性材料，依據(jù)摩爾庫侖屈服準則對礦井355大巷進行了數(shù)值模擬。模型尺寸為巷道軸部方向20m ，水平方向40m ，高度方向35m 。巷道布置在煤層頂板中，平均埋深500m 。在模型頂部采用均布載荷的方式對模型進行加載。3.1一次支護前巷道變形破壞分析一次支護前巷道變形破壞如圖3所示。由圖3可知，頂板破壞深度2.0m ，底板破壞深度1.0m ，兩幫破壞范圍1.5m ，據(jù)此結(jié)合相關(guān)理論確定頂錨桿長度應取2.5m ，幫錨桿長度應取2.0m。圖3一次支護前巷道鉛垂應力及屈服范圍可以看出，深部巷道在不支

16、護的狀態(tài)下圍巖破壞范圍較大。因此，模擬在巷道圍巖中打錨桿，進行一次支護；適當變形后在頂板打錨桿及錨索對頂板進行二次支護。3.2合理支護后深部巷道變形破壞分析經(jīng)過對未支護深部巷道應力分布、圍巖破壞變形進行多種方案的模擬、比較，選擇如圖4的方案對深部巷道圍巖進行支護。圖4深部巷道支護方案巷道以錨網(wǎng)及表面噴漿的方式進行支護，提高圍巖自承能力。一次支護主要控制破碎圈內(nèi)的圍巖，適當變形后，補打注漿錨桿及錨索以實現(xiàn)對一次承載圈的補強和二次承載圈的形成。兩幫的支護考慮密集注漿錨桿支護的方式進行護幫，抵抗高應力下的屈服破壞。深部巷道支護下巷道垂直應力及屈服范圍見圖5。由圖5可得頂板破壞深度為1.0m ，底板破

17、壞深度為0.8m ，兩幫破壞深度為0.8m 。對比可知巷道兩幫應力集中現(xiàn)象明顯降低、屈服范圍大大減小，說明支護方案對強化承載圈支護強度起到了作用，支護對兩幫的進一步破壞起到了抑制作用，兩幫采用錨桿支護可以很好地對巷道變形起到作用。圖5深部巷道支護下巷道垂直應力及屈服范圍數(shù)值模擬表明：支護后巷道頂板下沉量最大為28.47mm ；左幫移近量65.0mm 。頂?shù)装搴蛢蓭鸵平康玫搅擞行У乜刂?，巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。（下轉(zhuǎn)17頁）85總第128期煤礦開采2021年第1期爆過程中花崗巖內(nèi)部原生裂紋的孕育進度，降低了聲發(fā)射的活躍程度。（3）巖爆過程中干燥花崗巖b值變化伴隨壓密階段的孕育區(qū)、線彈性階段的發(fā)展

18、區(qū)，裂紋擴展及破裂階段的下降區(qū)；飽水花崗巖b值前兩階段與干燥花崗巖類似，第三階段表現(xiàn)為群聚區(qū)。說明水可以軟化巖樣，降低花崗巖內(nèi)部裂紋的擴展尺度，進而降低巖爆烈度。（4）水改變了花崗巖巖爆過程中內(nèi)部裂紋的破壞機制。水平卸荷后，干燥花崗巖a值呈群聚型分布；巖爆災害發(fā)生前，a值表現(xiàn)為低幅為主，高、低幅共存，說明巖爆發(fā)生前的孕育過程中內(nèi)部裂紋以張拉破裂為主，剪切為輔。飽水花崗巖水平卸荷后a值則呈束狀分布，內(nèi)部裂紋以拉剪拉交替的形式破壞。參考文獻1苗金麗.巖爆的能量特征實驗分析D北京：中國礦業(yè)大學（北京），2009.2DUHEIMJ，HAILEA，OBETSm K Cet al.Violent fail

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21、2.12付志亮.巖石力學試驗教程M北京：化學工業(yè)出版社，2001.13龔囪，李長洪，趙奎.加卸荷條件下膠結(jié)充填體聲發(fā)射b值特征研究J采礦與安全工程學報，2014，31（5）：788794.14苗金麗，何滿潮，李德建，等.花崗巖應變巖爆聲發(fā)射特征及微觀斷裂機制J巖石力學與工程學報，2009，28（8）：15931603.責任編輯：李宏艷檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿（上接58頁）4結(jié)論（1）深部巷道圍巖的變形很難通過一次支護得到完全控制，但是由于支護后圍巖應力狀態(tài)改變，被支護圍巖強度提高，圍巖整體的承載性能提高，圍巖中高應力得到釋放，降低了對支護強度的要求，在一次支護后圍巖適當變形卸壓后二次支護，可以實現(xiàn)對圍巖變形的控制。（2）對于破碎圍巖巷道首先考慮提高破碎圍巖整體的自承能力，采用錨桿支護提高巖塊間的