破碎硅化煤层巷道棚-索补偿支护技术及应用

马海兴

(宁夏大学新华学院，宁夏 银川 750021)

通过广大学者和技术人员多年的研究，以锚杆支护为代表的柔性支护在作用机理和施工技术上都有了很大提高，逐步被应用到各型巷道的开挖支护中，在大同、兖州、淮北等矿区，锚网支护比例都将近90%甚至更高[1-3]。然而，从各大矿区的支护形式来看，以U29钢棚为代表的被动支护仍不能被完全取代，尤其是在裂隙发育、松散破碎围岩中，锚网支护锚固力、预紧力都受到较大程度的限制，此时U29棚的支护效果便得到显著体现[4-6]。

在工程中，由于U29棚自身结构的限制，当其承受的荷载较大时，在棚角、棚顶以及可缩连接处(图1)都会因弯矩过大而发生破坏，为了解决U型棚在支护过程中的不足，提高其承载能力，本文以同煤二矿5#层过火成岩入侵段盘区皮带巷为研究对象，综合运用现场实测、理论分析和数值模拟手段，分析现用U29棚支护过程中存在的问题，提出棚-索补偿支护技术，利用FLAC3D再现了补偿前后棚体弯矩分布，阐述了棚-索补偿支护的重要性，通过对现用支护参数的稍加调整，使5#层盘区皮带巷的长周期安全使用得到了充分的保证。

图1 U型棚架易破坏区域

1 工程概况

同煤二矿5#层煤厚9.8～29.21m，平均15.2m，煤层埋深约490m，煤层顶、底板及夹矸岩性一般为高岭岩、高岭质泥岩、砂质泥岩和碳质泥岩，局部为粉砂岩和细粉砂岩。盘区皮带巷断面为直墙拱形，宽4.2m，高3.5m，四周煤层为均未开采的实体煤，巷道沿煤层中部布置，现场钻孔表明，巷道顶板上方煤层厚8.4m，底板以下煤层厚6.0m。受大量岩浆岩侵入，煤层受热变质、硅化，裂隙发育，强度较低，轻易就能用手捏碎，如图2所示。

图2 5#层硅化裂隙发育煤体

2 棚-索补偿支护技术研究

2.1 工程测试

为了进一步掌握巷道开挖后围岩的破坏范围，利用钻孔摄像仪[7]对围岩松动圈厚度进行实测，围岩内部破坏如图3所示，根据钻孔窥视结果，5#层过火成岩入侵段盘区皮带巷围岩松动圈厚度在1.84～3.9m之间，大部分围岩破坏范围超过了常用锚杆的支护范围，属于大松动圈范围[8]。

图3 5#层盘区皮带巷围岩内部破坏图

根据松动圈支护理论，该巷道支护设计应从组合拱理论+可缩性棚架出发，因此，初步支护方案为：Φ22mm×2200mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，一个断面12根，间排距730mm×800mm；Φ17.8mm×8000mm钢绞线锚索，一个断面5根，间排距1600mm×1600mm；U29型钢架棚，排距1000mm；锚杆支护挂网，架棚支护背板。

2.2 棚-索现用支护分析

为了获得支护方案的效果，现用FLAC3D软件[9-10]进行模拟研究。在火成岩入侵段巷道顶底板用取芯机钻取煤岩试样，经实验室加工成Ф50mm×100mm标准煤岩试样，各项指标与国际岩石力学会(ISRM)试验规程中的要求相同。将试样放入MTS815.02S试验机进行单轴、三轴试验，加载速度0.1mm/min，围压大小为：2MPa、5MPa和8MPa，加载速率为3MPa/min，获得模拟研究所需的基础参数，详细结果见表1。

表1 围岩力学特性测试结果

以半圆拱圆心为坐标原点，沿巷道走向取单位长度，其余方向各取30m，上部自由面，其余为位移边界。根据地质报告，上表面施加竖向应力8.0MPa模拟上部岩层的荷载，水平四面施加4.5MPa模拟水平应力。选用摩尔库伦模型进行计算，利用FLAC3D自带的cable单元模拟锚杆和锚索，beam单元模拟U29钢棚，经过初始平衡-开挖应力释放-支护计算等过程，得到计算平衡后U29钢棚的弯矩分布如图4所示。

图4 棚-索未补偿支护时棚架弯矩分布(单位：N·m)

由图4可知，U29型钢棚在5#层盘区皮带巷道的支护过程中，其弯矩分布从棚角向上呈正弦函数变化，在直墙与拱交界处、水平方向45°及拱顶，棚架弯矩较小，直墙帮、水平方向27°和69°弯矩较大，尤其是在直墙段，由于没有水平支撑，该段U29型钢棚受两帮水平应力作用內挤变形较大，达到189mm，最大弯矩52.48kN·m。

根据规范，U29型钢屈服强度520MPa，抗弯截面模量94cm3，则U29钢棚的屈服弯矩为48.8kN·m，可见，在5#层盘区皮带巷道过破碎硅化煤层段，U29型钢的实际弯矩已超出其屈服荷载，极易发生破坏，进而影响棚架的整体支护效果。

2.3 棚-索补偿支护机理

从上文可以看出，在目前所用的“锚网+棚架”支护中，锚网支护和棚架支护是两个相互独立的支护形式，施工过程中先施工柔性的锚网支护，再施工刚性的棚架支护，只是在支护顺序上的叠加，而不能使二者的内在本质有机的结合在一起。

在破碎围岩的支护中，支护整体性显得尤为重要，任何一个部位的局部失稳都会导致整体结构的失效，因此，在棚-索支护中，如何提高两种支护系统的整体性，减少局部弱面的存在，进而使支护体的承载性能得到充分的发挥，成为决定支护效果的关键。

由上文可知，5#层盘区皮带巷的初步支护方案中，U型钢棚存在多个薄弱环节，为了改善U型钢棚的受力环境，可以将每个薄弱部位均施加一根锚索，锚索的端部通过槽钢与棚架连接在一起，使锚索与U型钢棚在支护性能的发挥上相互补偿：对于柔性支护来说，一定程度上增加了锚索的托盘面积，对破碎围岩表面控制效果提高；对于U型钢棚架，锚索的增设变相的减少其受力棚体的跨度，其自身的受力环境能得到很好的改善。

为了检验棚-索补偿支护的效果，用FLAC3D软件进行模拟，在上文的基础上，调整锚索的分布位置，通过删除cable、beam与zone单元建立的相关单元体-zone链接，建立cable与beam之间的node-node链接，将锚索与U型钢梁通过link连接在一起，实现二者的相互补偿，计算结果如图5所示。

图5 棚-索补偿支护时棚架弯矩分布(单位：N·m)

分析图5可知，在棚架薄弱部位施加锚索后，由于锚索的约束作用，U型钢棚架的变形被锚索控制，最大变形量为83.5mm，其抗弯性能得到了大幅度的提高，尤其是在直墙段，补偿支护前52.48kN·m的巨大弯矩被分成了三段较小的量值，棚架受力更加均匀，补偿支护后棚架最大弯矩为10.58kN·m，仅为屈服弯矩的21.7%，较补偿支护前降低了79.8%。

在锚网支护的效果方面，锚索被U型钢棚连接在一起，彼此之间受力更为均匀，如图6所示，在预紧力的作用下，巷道周围形成了绿色的压应力增高区，区域厚度从顶部的1.2m向两帮逐渐增大，最大值达到3.6m。

图6 棚-索补偿支护时最大主应力分布(单位：mm)

3 工程应用

在2.1节现用支护方案的基础上，根据2.3节研究成果调整锚索位置，增加锚索排距到2000mm，利用槽钢将锚索与U29型钢棚架连接在一起，使锚网支护与棚架支护相互补偿，其余参数同现用方案，最终棚-索补偿支护方案如图7所示。

图7 棚-索补偿支护横断面图

为了检验棚-索补偿支护的效果，在5#层盘区皮带巷过火成岩入侵段巷道进行了工业性实验，施工时先安装锚杆、金属网，之后架棚，最后施工锚索，并通过槽钢将锚索与棚架组成相互补偿的整体。从巷道开挖到围岩稳定，巷道顶板下沉47.2mm，两帮收敛86.3mm，巷道施工完成到现在，U型钢棚没有发生明显的变形，巷道运行状况良好。

4 结论

1) 松动圈实测结果表明，5#层过火成岩入侵段盘区皮带巷围岩松动圈厚度在1.84～3.9m之间，属于大松动圈范围，大部分围岩破坏范围超过了常用锚杆的支护范围。

2) 现用棚-索支护中锚网支护与架棚支护相互独立，彼此只是施工顺序的叠加，棚架所受弯矩较大，数值模拟结果表明，棚架弯矩呈正弦函数分布，最大值为52.48kN·m，超过了其屈服弯矩，直墙段易首先发生破坏。

3) 利用槽钢将锚索与棚架组合成一个整体后，锚索、棚架两种支护结构相互补偿，棚架受力环境得到了很好的改善，最大弯矩为10.58kN·m，仅为屈服弯矩的21.7%，较补偿支护前降低了79.8%。

4) 棚-索补偿支护后，锚网支护的组合拱效果也得以加强，巷道周围形成了绿色的压应力增高区，区域厚度从顶部的1.2m向两帮逐渐增大，最大值达到3.6m。工业性实验结果表明，巷道支护效果良好，棚架至今未发生明显变形。

[1] 何满潮，袁和生，靖洪文，等.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京：科学出版社，2004.

[2] 康红普，王金华，等.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[3] 周恒.软岩巷道锚杆和锚注支护共同作用机理研究及应用[D].成都：西南交通大学，2006.

[4] 肖锋.软弱围岩巷道 U 型钢可缩性支架联合支护机理研究[D].成都：西南交通大学，2007.

[5] 王德勇，吴继鲁.U形拱棚配锚索在盘区巷道支护中的应用[J].华北科技学院学报，2007(4)：8-11.

[6] 荆升国，谢文兵.动压软岩巷道 U 型钢-锚索协同支护技术研究与应用[J].中国煤炭，2009(1)：42-44.

[7] 靖洪文，李元海，梁军起，等.钻孔摄像测试围岩松动圈的机理与实践[J].中国矿业大学学报，2009,38(5)：645-649,669.

[8] 董方庭，宋宏伟，郭志宏，等.巷道围岩松动圈支护理论[J].煤炭学报，1994，19(1)：21-32.

[9] 刘波，韩彦辉.FLAC原理、实例及工程应用[M].北京：人民交通出版社，2005.

[10] 彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2008.