不同最大水平主应力方向下巷道的锚杆支护技术研究

时间：2024-07-28

陈广帅，张小康

(霍州煤电集团责任有限公司技术研究院，山西霍州031400)

1 地质力学测试与分析

在李雅庄矿六采区进行了3个测站的地质力学测试，第1测站在六采区上部6091巷内，第2测站布置在轨道巷中，距第1测站1500m，第3个测站布置在6081巷，测站具体位置如图1所示。

第1测站最大水平主应力为20.91MPa，最小水平主应力为11.44MPa，垂直应力为12.44MPa，最大水平主应力方向为N19.0°W。第2测站最大水平主应力为12.04MPa，最小水平主应力为6.40MPa，垂直应力为14.49MPa，最大水平主应力方向为N34.9°E。第3测站最大水平主应力为14.62MPa，最小水平主应力为8.40MPa，垂直应力为15.03MPa，最大水平主应力方向为N57.2°E。第3测站边上20m处有落差11m的大断层，测试结果反映了断层附近地应力有较大的变化;第1测站周边没有地质构造的影响，测试结果能够比较好地反映原岩应力。当六采区巷道周边没有大的地质构造时，所受应力水平应与第1测站相差不大［1－2］。

六采区煤层回采过程中，大多数回采巷道的轴线方向基本上与6081巷、6091巷和轨道巷3条巷道中其中一个的轴线方向一致，本文以这3条巷道轴线方向为典型，研究不同水平主应力方向下巷道围岩的破坏规律与锚杆支护技术研究。由地质力学测试结果可知，最大水平主应力与6081巷道轴线方向夹角为59°，与轨道下山轴线夹角为32°，与6091巷道轴线夹角47°。

2 数值模拟分析

2.1 数值模型及模拟方案

以李雅庄矿回采巷道为数值模拟对象，巷道断面为矩形，宽5m，高3.6m。巷道沿煤层顶板掘进，煤层平均厚度3.3m，近水平赋存。煤体强度平均值为13.96MPa。顶板为粉砂岩和细砂岩，平均强度为52.01MPa。底板为细粒砂岩和砂质泥岩，平均强度为54.11MPa。最大水平主应力为20.91MPa，最小水平主应力为11.44MPa，垂直应力为12.44MPa。

模拟方案:分别模拟最大水平主应力方向与巷道轴线夹角为32°，47°和59°时围岩应力分布、变形与破坏范围。模型应力边界条件根据最大水平主应力方向与巷道轴线的夹角确定［3］。

2.2 数值模拟结果及分析

通过数值模拟计算，可以得到3个巷道围岩最大主应力分布云图，如图2所示，3个巷道围岩塑性区如图3所示。

图2 不同夹角的围岩最大主应力分布

图3 巷道围岩塑性区分布

(1)巷道开挖后，巷道的顶板和底板出现垂直应力降低区，巷道两帮出现应力增高区，随着巷道轴线与最大水平应力夹角的增大，垂直应力降低区和集中区面积和形状均有变化。当夹角为32°时，垂直应力降低区主要分布在巷道顶板及其上部和巷道底板及其下部;当夹角为47°和59°时，应力降低区向巷道两顶角的斜上方和两底角的斜下方转移。水平应力在两帮和顶底板附近很小的范围内出现应力降低区，随着巷道轴线与最大水平应力夹角的增大，顶板和底板的应力集中区面积增大。

(2)巷道围岩最大主应力值在顶板上部和底板下部一定距离内达到最大值，随着巷道轴线与最大水平主应力夹角的增大，距离巷道顶底板越近。最大主应力在巷道周边呈现椭圆形分布，椭圆形长轴在水平方向上，且随着巷道轴线与最大水平主应力夹角的增大，最大主应力逐渐向顶底板发展，椭圆长轴长度与短轴长度比例不断增大。

(3)巷道开挖后，在巷道周围出现塑性区，当巷道轴线与最大水平主应力夹角为32°时，巷道两帮塑性区深度略大于顶底板塑性区发育深度;当夹角为47°时，顶底板塑性区发育深度明显大于两帮塑性区发育深度;当夹角为59°时，塑性区在巷道周边基本上呈均匀分布，顶底板为剪切破坏，两帮含有拉应力破坏。

(4)图4为巷道轴线与最大水平主应力不同夹角时巷道顶、底板和两帮最大变形值。当巷道轴线与最大水平主应力夹角为32°和47°时，巷道顶、底板变形量大于两帮变形量。夹角为47°时，巷道围岩变形明显增大，顶底板变形增大最明显。当巷道轴线与最大水平主应力夹角为59°时，顶底板位移量明显减小，为3个角度中最小值，两帮变形量和夹角32°时基本持平。由巷道围岩最大变形量可以看出当巷道轴线与最大水平主应力夹角为47°时，巷道稳定性最差。

图4 巷道围岩最大变形值

总的来说，巷道围岩的变形破坏特征与其轴线与最大水平主应力方向的夹角的大小有着密切的关系，相对于32°和59°夹角来说，当夹角为47°时，巷道围岩变形破坏最为严重，特别是顶、底板的破坏比较严重。

3 支护措施及现场监测结果分析

3.1 支护方案

随着锚杆支护理论和技术的发展，以及近些年来锚杆支护在煤巷中的广泛应用和施工机具与工艺的完善，按照一次支护、高预应力和预应力扩散、“三高一低” (即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度)、相互匹配、可操作性、经济合理等原则提出3种夹角类型巷道支护措施［4－5］。

考虑到施工的需要，针对3种夹角的巷道提出2种支护方案，方案一为当巷道轴线与最大水平主应力夹角为32°和59°时，采用同一种支护方案;方案二为当巷道轴线与最大水平主应力夹角为47°时，需要加强支护。以李雅庄矿6081巷断面尺寸为例，矩形断面，掘进宽度5.2m，高度3.7m，掘进断面积为19.24m2。

3.1.1 支护方案一

图5为方案一的支护示意图。顶板锚杆排距1000mm，每排6根锚杆，间距900mm;锚杆采用杆体直径为22mm左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆，屈服强度335MPa，长度2400mm，螺纹长度150mm，杆尾螺纹为M24;采用加长锚固的方式，采用2只树脂药卷，1支规格为 CK2340，1支规格为Z2360;采用高强锚杆螺母M24，配合高强托板调心球垫和1010尼龙垫圈，托盘采用拱型高强度托盘，规格为150mm×150mm×8mm，钢号不低于Q235，采用8号铁丝编织的菱形金属网护顶，网孔规格 50mm×50mm，网片规格5600mm×1100mm。用16号铅丝联接，双丝双扣，孔孔相连;同时采用厚度4mm，宽280mm，长度450mm的W钢护板护顶;锚杆全部垂直顶板安装，锚杆预紧扭矩要达到300N·m，但不能超过500N·m。顶板锚索为1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，锚索直径为22mm，延伸率7%，长度5300mm，钻孔直径30mm，采用3支树脂药卷，1支规格为CK2340，2支规格为Z2360;锚索托盘采用300mm×300mm×14mm高强度可调心托板及配套锁具，承载能力不低于500kN，托盘拱高不低于60mm;锚索为“二·二间隔”布置，排距2000mm，间距1800mm。全部垂直巷道顶板打设，锚索预紧力为250kN，考虑张拉损失，锚索初始张拉力不低于300kN。

图5 方案一支护示意

两帮锚杆排距1000mm，每排每帮4根锚杆，间距1000mm。杆体为直径22mm，材料为左旋无纵筋螺纹钢筋，屈服强度335MPa，长度2400mm，螺纹长度150mm，杆尾螺纹为M24;采用树脂加长锚固方式，采用2支树脂药卷，1支规格为CK2340，1支规格为 Z2360，钻头直径为30mm;采用高强锚杆螺母M24，配合高强托板调心球垫和1010尼龙垫圈，托盘采用拱型高强度托盘，规格为150mm×150mm×8mm，钢号不低于Q235;采用W钢护板护帮，厚度为4mm，宽280mm，长度450mm。采用金属网护帮，材料为8号铁丝，网孔规格50mm×50mm，网片规格3600mm×1100mm，用16号铅丝联接，双丝双扣，孔孔相连;锚杆预紧扭矩要达到300N·m，但不能超过500N·m;锚杆全部垂直巷帮打设。

3.1.2 支护方案二

当巷道轴线与最大水平主应力夹角为47°时，巷道围岩的变形破坏较为严重，需要加强支护强度，方案二中支护措施是在方案一的基础上加强支护而得，把方案一中巷道顶部W钢护板护顶改为用W钢带护顶。

3.2 现场应用分析

李雅庄矿开采2号煤，当前采区为六采区，埋深在600m左右，埋藏深度较大，六采区还剩余大量回采工作面，下一步掘进以回采巷道为主，该矿回采巷道原来支护存在的问题有:巷道支护密度大，支护效果一般，导致矿上采掘衔接紧张;地质构造段巷道支护效果差，掘进期间巷道不得不“前方掘进、后方起底”，回采期间巷道不得不起底、刷帮。

李雅庄矿井下进行了3根锚杆的拉拔试验，锚固力均能达到要求，还进行过W钢护板试验，试验效果较好。采用高预应力强力锚杆锚索和W钢护板支护，锚杆、锚索间排距比原来放大0.2m，提高单根锚杆强度，提高预紧力，这样巷道支护材料成本与原支护方式支护材料成本相差不大;巷道支护效果明显改善，巷道在掘进期间表面位移如图6所示，变形很小，保证了围岩的完整性，在巷道表面形成了一个稳定的承载结构，将来能够抵御回采产生的超前集中应力影响，实现巷道的一次支护，并且巷道掘进速度每月提高约20m，掘进速度得到大幅度提高。

图6 巷道表面位移

目前，W钢护板支护效果已经得到矿上高度认可，该矿已开始自己加工W钢护板，在所有掘进的回采巷道中使用，大幅度提高了支护效果与掘进速度，锚杆排距由800～900mm放到1000mm，极大地缓解了该矿采掘衔接紧张的状况。