千米深井高构造应力区巷道支护体系优化研究

闫春来 秦 鹏

（山东省兖州市大统矿业有限公司，山东 兖州 273100）

1 概述

星村煤矿所采3 煤经鉴定为强冲击性，煤巷掘进过程中尤其七采区多次出现支护失效问题。七采区煤巷掘进是一个典型的大埋深、地质构造复杂条件下的高应力区域，埋深超过1100 m，水平应力大，附近没有已掘巷道作为参考，巷道四周断层较多、落差较大，掘进过程中压力显现完全不同于其他采区的巷道。

三采区的煤巷掘进过程中应力大小可通过钻屑法、卸压大孔、现场震动情况显现出来，未出现过支护集中破坏的情况。然而七采区煤巷施工时，钻屑法施工正常，未出现夹钻吸钻现象；预防性卸压大孔施工过程中震动也较少，未出现夹钻吸钻现象；掘进割煤及支护过程中震动较少，且震动能量也较小，但是巷道顶板所承受的静压较大，巷道已掘进支护地点多次出现锚索断裂现象，支护问题的失效现象严重威胁了巷道支护及施工人员安全。

2 支护体系破坏分析

2.1 锚索断裂分析

七采区其中一条煤巷失效锚索统计结果：正拱顶锚索破断16 根，其中断锚索13 根，破断位置距孔口2.0 m 左右；脱索、锁片丢失的3 根； 锚索破断基本处于迎头20 m范围内；恒阻锚索装置口破断。锚索破断位置多位于孔口2.0 m 左右，多数动压下发生张剪破断。

从锚索断裂的位置、距迎头的距离以及中间锚索破断的情况可以推断，巷道开挖后顶煤在高水平应力作用下所发生的水平移动量较大，锚杆/锚索提供的约束效应不能有效控制顶煤的压剪破坏，反而因顶煤的压剪破坏造成支护体的破坏，给安全带来隐患。

从锚索断口分析，19 股钢绞线都是在同一位置断裂，断口较齐，锚索为受横向剪切应力造成的断裂。

而其他区域巷道锚索断裂明显不同，钢绞线断裂位置不同，且钢绞线断裂处有直径缩小的现象，是受纵向拉力作用造成的断裂。

2.2 巷道顶板窥孔观测

对七采区煤巷进行顶板窥视观测，根据现场两处钻孔的窥视仪观察结果，发现顶煤破碎、离层比较严重。孔深1.8～2.5 m 处，顶煤非常破碎，有较大裂隙，煤体整体性膨胀碎裂；孔深4 m（泥岩弱面）处，存在与钻孔垂直的环形离层裂隙；孔深6.0～8.4 m 处，均有不同程度平行钻孔方向的裂隙，围岩受水平挤压破碎。

锚杆支护范围煤岩体整体性碎裂，煤岩接触面软弱泥岩产生离层，下部煤体发生整体性下沉。锚索锚固段围岩出现平行钻孔方向的裂缝，发生一定程度的破碎，对锚索端锚的可靠性产生较大影响。

2.3 地应力测试

七采区地应力测量报告结果：

最大主应力为68.46～68.56 MPa，其方位角为156.87°，倾角为8.37°～10.26°，为最大水平应力。

中间主应力为49.63～54.69 MPa，平均为52.16 MPa，为水平应力，方位角为65.57°，与最大水平应力相差91.3°，接近垂直。

最小主应力为34.92～35.23 MPa，平均为35.01 MPa。倾角为-73.73°～77.44°，可认为垂直应力。该巷道的平均埋藏深度为1220 m，按理论计算垂直应力（γH）为30.5 MPa。实测的垂直应力大于理论计算的垂直应力。

式中：σH为最大水平应力，MPa；σI为构造应力，MPa；μ为泊松比，实测值为0.255；σV为垂直应力，MPa；

按上式计算的构造应力58.01 MPa，实测结果和计算得出以下结论：

（1）该区域构造应力为58.01 MPa，整个区域以构造应力为主，属于构造异常区域；

（2）最大水平主应力方向与轨道巷夹角61.39°～65.40°，呈大角度斜交，位置中间的主应力呈现水平方向。巷道掘进过程中，垂向应力因巷道施工后急剧降低，水平主应力导致顶板出现破坏以及底鼓现象，水平应力主要作用于顶底板，垂直应力主要作用于两帮。

七采区煤巷沿3 煤底板掘进，巷道顶板为3 煤，f=2，强度低，巷道开挖后，引起应力集中，顶煤在水平应力的作用下发生压剪破坏，这种破坏在掘进工作面前方就已经发生，掘进过程出现的煤炮就是应力发生转移、围岩发生破坏的现象。近5 m 厚的顶煤在高水平应力作用下必然发生由浅到深的破坏，锚杆/锚索不仅受到拉应力同时也受到剪应力作用，使锚索发生剪切破断。

3 支护优化

3.1 全长锚固支护技术

在深井煤巷中，顶煤受到高水平应力的作用，在掘进前或开挖过程中就已发生了破坏，属于高应力软岩，控制软弱岩层最有效的措施是锚杆/锚索采用全长锚固。

高强全锚支护技术其作用都是对围岩提供双向约束（轴向及径向）。轴向约束通过锚索的轴向力经由托盘、网、钢带（钢筋梯）以及索体与孔壁间的粘结传递给岩（煤）体，将围岩受力状态变换为双向、三向受力状态（原始受力状态为单向及双向），有效地提高了围岩的强度。径向约束表现为两个方面，其一是因轴向约束而增加的层面或裂隙面上的摩擦；其二是索体及锚固剂所直接提供的抗剪阻力。这两种约束效应是锚索产生支护作用的基础。全锚支护技术就是提高锚索的轴向约束和横向约束效果。

全长锚固可大大降低巷道围岩的变形和顶板软化高度。顶煤在水平应力作用下，因为缺乏有效的垂直层理方向的约束，造成顶板离层破坏，破坏的岩层承受水平应力的能力明显降低，导致水平应力进一步向围岩深部转移，在深部形成新的破坏区。这个过程直到遇到强度高的岩石，或者被支护系统所阻止为止。上部顶煤的破坏，又对下部岩层产生膨胀载荷，造成下部岩层的下沉。采用高强全长锚固系统，则使锚固区内的顶板都受到约束，保证顶板岩层的整体稳定，遏制水平应力向上发展、限制离层破坏现象的发生，降低顶板软化的高度。

全长锚固使锚索具有很高的抗剪强度。针对岩层沿层面或沿与锚索斜交的裂隙的错动，全锚锚索以两种方式产生径向约束：第一是直接通过索体和树脂粘结的剪切强度提供抗剪阻力抑制错动；第二是通过较大的轴向力增加层面正应力，从而提高其摩擦阻力来抑制错动。

3.2 顶板深孔卸压爆破措施

对煤层顶板的原岩应力进行扰动、分散，降低巷道浅表区域围岩应力，是保证应力得到有效释放的重要措施。巷道顶板支护优化设计示意如图1。

图1 巷道顶板支护优化设计示意图（mm）

4 结论

（1）在千米埋深、高构造应力、高水平应力、煤层区域掘进的巷道，尤其是巷道掘进方向与水平应力方向呈一定夹角时，巷道顶板支护锚索频繁出现断裂的情况是受横向剪切造成的断裂，依照原有的支护设计理念单纯增加锚索长度、支护密度，不能提高其抗剪强度，原支护体系不能满足安全掘进。

（2）采用全长锚固后，辅助顶板深孔爆破卸压措施，通过巷道变形观测，巷道变形比支护升级前明显减小，处于可控范围内。（前面能删点吧，这一点不转了）

（3）针对千米埋深、高构造应力、高水平应力、煤层区域掘进的巷道，全长锚固、提高锚索预紧力、深孔卸压爆破均是有效的、经济的、安全的措施，对于保证矿井安全生产，提高支护水平具有重要意义。