受高水平构造应力影响的软岩巷道支护技术研究

王子越孙维顺汤 梁

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013；2.鞍山市工业研究院，辽宁省鞍山市，114000；3.神华能源股份有限公司神东煤炭分公司寸草塔煤矿，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017209）

受高水平构造应力影响的软岩巷道支护技术研究

王子越1孙维顺2汤 梁3

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013；2.鞍山市工业研究院，辽宁省鞍山市，114000；3.神华能源股份有限公司神东煤炭分公司寸草塔煤矿，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017209）

针对白皎煤矿2410巷道受高量值水平构造应力影响且围岩极其软弱的特点，对巷道变形特征进行了数值模拟研究。分析了裸巷开挖、低预紧力支护和高预紧力支护条件下巷道变形特征和塑性区分布情况，最终确定高预紧力强力锚杆索联合支护方案。方案实施后，矿压监测结果表明锚杆索预紧力较高时，巷道围岩变形得到有效控制，锚杆索最终稳定工作载荷与初始预紧力相差不大。

软岩巷道 巷道支护 锚杆索联合支护 构造应力 高预紧力 矿压监测

白皎煤矿地质构造复杂，煤系地层受燕山运动的挤压作用，形成以逆断层为主的断裂构造，导致水平应力较高。2410巷道在四煤层底板之中掘进，巷道穿过多层不同岩性岩石掘进，岩层强度低、松散破碎、遇水泥化膨胀。2410巷道为典型的高水平构造应力影响的软岩巷道，支护难度较大。

由于巷道穿过多岩层掘进且掘进范围内有多个断层，巷道围岩完整性差，再加之高水平构造应力影响，在四煤层底板之中掘进的巷道大多存在稳定时间短、巷道变形严重、需多次返修的问题，巷道安全不能保证。致使巷道掘进时间长、采掘接续紧张，且巷道往往需要多次返修，导致大量人力物力损耗，给矿井安全高效生产带来极大隐患。本文对该条件下巷道围岩变形特征、控制难点和支护对策进行研究。

1　工程概况及技术支护难点

1.1工程概况

2410巷道埋深为546.2～664.7 m，为全岩巷道，所穿岩层为砂岩、粘土岩、页岩、煤线等。为确定底板巷道围岩中膨胀性矿物的种类和含量，在2410巷道掘进50 m后取岩样，对巷道围岩矿物组分进行检测，结果如表1所示。

表1　2 4 1 0巷道矿物全岩成分分析%

从分析结果可以看出，四煤层底板岩体中黏土矿物占到64.7%～77.8%，平均69.8%，其种类主要为遇水易膨胀的伊蒙混层和高岭石，还有遇水易泥化的绿泥石类，其导致了围岩易发生泥化膨胀。

通过水压致裂法对白皎矿地应力场进行测量。白皎矿垂直应力为10.74 MPa，南北方向水平应力17.25 MPa，是自重应力的1.7倍；沿东西方向水平应力达到28.7 MPa，是自重应力的2.8倍。矿区应力场为以水平应力为主的构造应力场。

1.2支护难点

（1）2410巷道底板岩层岩性主要是泥岩和粘土岩，强度低，普氏硬度系数0.3～1.5，遇水软化明显，软化系数为0.27～0.35，弹性模量不高。粘土岩和泥岩中高岭石含量高达13%～26%，伊蒙混层含量达7%～27%，高岭石具有强流变性，伊蒙混层具有强膨胀性，岩层属于典型的膨胀性软岩。

（2）巷道地质条件复杂，埋深大，地应力量值较高，且以水平应力为主，水平应力是自重应力的1.7～2.8倍，这也是导致巷道难以支护的主要原因之一。

2　巷道变形机理数值模拟

为了揭示巷道破坏机理，为巷道支护设计提供依据，采用有限差分数值计算软件FLAC3D进行数值模拟分析，模型参数基于地质力学测试结果。共进行3种方案数值模拟计算:裸巷开挖无支护数值模拟、低预紧力支护数值模拟和高预紧力支护数值模拟。

2.1无支护巷道的变形破坏特征

无支护状态下，巷道两帮移近量为800 mm，底鼓量达600 mm，顶板下沉量达400 mm，巷道变形量较大。数值模拟计算结果与底板巷道实际变形特征一致，说明模型力学参数、本构模型、计算步骤选择合理。无支护状态下，巷道塑性区范围较大，主要为拉伸破坏区和剪切破坏区，拉伸破坏区分布于巷道顶板围岩，剪切破坏区主要分布于巷道底部和两帮。根据无支护巷道变形模拟结果，巷道变形特征为在高水平构造应力和膨胀性软岩的影响下发生底鼓，进而导致两帮失稳和顶板下沉，因此应重点加强底板和两帮支护。

2.2低预紧力支护巷道的变形破坏特征

低预紧力支护状态下，两帮移近量为500 mm，底鼓量250 mm，顶板下沉量200 mm，与不支护相比，巷道变形得到一定控制，但变形量仍然较大。巷道围岩塑性区范围没有明显变化，支护效果不理想，不能充分发挥锚杆索的主动支护作用。

2.3高预紧力支护巷道的变形破坏特征

设置锚杆预紧力为50 k N，锚索预紧力为200 k N进行模拟。在高预紧力支护状态下，巷道两帮移近量为140 mm，仅为不支护状态下的17.5%；底鼓量为90 mm，顶板下沉量为70 mm，与不支护相比分别下降85%和82.5%，支护效果较为理想，巷道变形得到有效控制。

高预紧力支护条件下巷道塑性区主要为拉伸破坏区和剪切破坏区，拉伸破坏区主要分布于巷道顶部围岩，剪切破坏区分布在巷道底部和两帮。高预紧力支护状态下，巷道塑性区范围明显缩小。

模拟结果表明，采用高预紧力支护方案后，支护效果明显，巷道围岩变形可以得到有效控制。

3　支护对策分析

根据数值模拟结果，结合高水平构造应力影响软岩巷道变形特征，基于高预紧力强力支护理论，依据高预紧力和预紧力扩散原则和高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则，提出如下支护对策:

（1）加强帮部支护。由于围岩疏松破碎，炮掘成巷后，巷道表面凹凸不平，锚杆托盘难以紧贴岩壁。因此，应采用W钢护板配合拱形托盘作为锚杆支护护表构件，以扩大护表面积，同时将后部岩体压实，提高预紧力扩散效果。

（2）采用高强度锚杆锚索支护。根据邻近巷道支护经验，后期巷道变形较大时，会发生锚杆索破断现象，因此，应采用强度和刚度较高的锚杆索进行支护，同时配合拱形托盘和调心球垫，避免锚杆索尾部受剪，发生剪切破坏。

（3）提高预紧力施加水平。数值模拟结果表明，预紧力是决定巷道支护效果的重要因素，因此，锚杆预紧力矩不能低于400 N·m，锚索应张拉到300 k N以上，并加强施工质量监测，确保锚杆索预紧到位。同时加长锚杆、锚索锚固段长度，保证锚固力与锚杆锚索强度相匹配。

（4）由于围岩易风化崩解，巷道开挖支护完毕后要及时喷浆封闭围岩。

4　支护方案

根据支护对策，确定高预紧力锚杆索联合支护方案。2410巷道断面为直墙半圆拱形，高度3500 mm，宽度3800 mm。顶板、帮部锚杆采用规格为ø22 mm×2400 mm左旋无纵筋螺纹钢，杆体钢号为BHRB500，配备承载能力不低于260 k N的规格为150 mm×150 mm×10 mm拱型高强度托板和规格为450 mm×280 mm×4 mm W钢护板作为锚杆护表构件，锚杆间排距为900 mm× 1000 mm，锚杆预紧扭矩大于400 N·m。

顶板采用1×19股高强度低松弛预应力钢绞线锚索，规格为ø22 mm×5300 mm，每排3根，间距1200 mm；帮部采用规格为ø22 mm×3300 mm锚索，每排2根，间距1100 mm，锚索尾部采用配套的高强度锁具，托板规格为300 mm× 300 mm×16 mm高强度拱形大托板，托板承载力与锚索索体相匹配，锚索初始预紧力大于300 k N。2410巷道断面支护参数见图1。

图1　2410巷道断面支护参数

5　巷道支护效果分析

5.1巷道表面位移监测

在2410巷道布置表面位移测站，经过10 d连续监测，监测结果显示巷道两帮移近量仅为3 mm，顶板下沉量仅为4 mm，且变形不再发展。巷道表面位移较小，围岩变形得到有效控制，支护效果较好。

5.2锚杆索受力监测

2410巷道掘进200 m后，布置测站对锚杆、锚索受力进行监测，锚杆、锚索测力计编号见图1。1*～9*锚杆预紧力分别为29.9 k N、56.4 k N、41 k N、31.2 k N、67.6 k N、101.6 k N、55.3 k N、60.3 k N、49.6 k N，均值为55.8 k N，最高达到101.6 k N，预紧力水平较高。经过10 d连续监测，预紧力水平较高的2*、3*、5*、6*、7*、8*、9*锚杆的工作阻力与预紧力相比基本没有上升，说明预紧力数值较高时，支护系统刚度较大，支护范围内围岩稳定；1*、4*锚杆预紧力水平较低，工作阻力与预紧力相比有较大上升。全部锚杆工作阻力趋于稳定，说明锚杆支护范围内围岩稳定，不再发生变形。

对锚索受力监测结果进行分析，1#～5#锚索预紧力分别为121 k N、139.4 k N、164.1 k N、153.1 k N、140.3 k N，均值为144 k N，最高达到164.1 k N，预紧力水平较高。经过10 d连续监测，锚索的工作阻力与预紧力相比变化不大，说明预紧力数值较高时，支护系统刚度较大，支护范围内围岩稳定，不再发生变形。

6　结论

（1）白皎煤矿地质条件复杂，埋深大，水平构造应力高，煤系地层岩性主要是砂质泥岩和粘土岩，黏土矿物含量较高，遇水易泥化。煤系底板岩巷属于高构造应力影响软岩巷道，支护难度较大。

（2）2410巷道变形破坏的主要特征为底鼓明显。2410巷受膨胀性围岩和较高水平构造应力影响，底鼓严重，同时导致两帮破坏，顶板下沉，因此应加强底板两帮支护，同时及时喷浆封闭巷道。

（3）2410巷道表面位移监测及锚杆、锚索受力监测数据说明采用高预紧力强力锚杆锚索支护方案后，巷道稳定，围岩变形得到有效控制。实践证明高预紧力强力锚杆锚索支护可以有效解决高水平构造应力影响软岩巷道支护难题。

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（责任编辑 张毅玲）

Research on supporting technology of soft rock roadway affected by high horizontal tectonic stress

Wang Ziyue，Sun Weishun，Tang Liang
（1.Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China；2.Anshan Industrial Research Institute，Anshan，Liaoning 114000，China；3.Cuncaota Coal Mine，Shendong Branch of Shenhua Energy Co.，Ltd.，Erdos，Inner Mongolia 017209，China）

The 2410 roadway of Baijiao Coal Mine was affected by high horizontal tectonic stress and extremely weak surrounding rock，aiming at these geological mechanics features，the deformation characteristics of roadway was researched with numerical simulation.The deformation characteristics of roadway and the distribution features of plastic zones were analyzed with three supporting modes，no supporting，low pre-tightening supporting and high pre-tightening supporting，then the high strength bolt-cable combined supporting method with high pre-tightening force was selected.Practice and rock pressure monitoring results showed that the surrounding rock deformation was effectively controlled when the pre-tightening force was relatively high，and finally the stable working resistance of anchor bolt and cable was nearly equal with the initial pre-tightening force.

soft rock roadway，roadway supporting，bolt-cable combined supporting，tectonic stress，high pre-tightening force，rock pressure monitoring

TD353

A

王子越（1988-），男，山东滨州人，主要从事巷道支护技术研究工作。