高应力区回采巷道锚杆支护技术研究

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【摘要】随着矿井不断开采，浅部煤炭资源的逐渐减少和枯竭，开采深度越来越大，井巷工程的环境地应力水平也越来越高，有些在浅部低应力状态下表现为硬岩特征的岩石，在深部高应力状态下则表现出大变形、大地压、难支护的软岩特征，成为一类特殊的高应力软岩。在矿井高应力区布置的回采工作面，其运输巷和回风巷在回采过程中绝大多数都会遭到严重变形和破坏，直接导致巷道断面变小，影响通风、行人和安全生产。

因此，只有认真深入研究巷道破坏的机理，才可能找到防治巷道失稳的对策。因此对深井大埋深、高应力、极不稳定巷道，实施合理支护方式并对这种支护技术加强研究尤为重要。

【关键词】高应力 回采 巷道支护

一、高应力区巷道变形机理分析

高应力软岩巷道围岩变形破坏机理是与其原岩的高地应力状态（原岩应力）以及工程岩体的低围压状态（围岩应力）和高应力差相联系的。原岩应力较高，故一旦开挖，随即发生内应力释放和回弹，并引起相应的应力调整和变形。巷道开挖卸载后相当于在原岩应力状态上叠加相应反向拉应力，于是工程岩体（尤其是层状和似层状岩体）在类似横弯或纵弯作用下发生挠曲，或者沿结构面发生剪胀滑移变形，岩体强度降低，围岩发生体积膨胀变形（扩容）。

应力释放引起的回弹和应力调整引起的扩容使岩体中原本闭合的结构面张开滑移，在改变岩体应力状态和强度的同时，也改变了围岩水文地质条件，工程用水沿张开裂隙渗流，进一步降低了岩体强度或者加剧了具有膨胀性岩石的物理化学膨胀和力学膨胀，从而使围岩产生较大的收敛位移，表现为侧墙鼓出、底鼓和顶压等。变形的进一步发展导致巷道破坏失稳，如侧墙内移（侧向张裂、片帮）、尖顶（拱顶剪裂）底鼓和冒顶等。破坏最严重的部位多在拱顶和拱墙交界处，在这些部位常见巷道剪裂和张裂，钢拱架因过大位移而扭弯屈曲，甚至钢拱架也被扭弯或剪断的现象。当巷道布置在构造应力、复杂应力和高应力区域时，围岩在很大的水平挤压应力作用下，其顶板与底板岩层直接承受着水平构造应力的作用，而巷道两帮的围岩由于巷道开挖解除了水平应力作用处于弹性恢复状态。

因此，构造应力主要引起巷道顶板岩层的挤压破坏，巷道底板岩层发生屈曲破坏。顶板的大范围破坏（鼓出），使得构造运动残余水平应力得到充分释放。重力应力场随着围岩构造应力的释放（解除）而发展成为促使围岩向已采空间运动的主动力。随着围岩周边破坏向深部发展，岩石破裂范围不断增大，应力高峰相应向深部转移，支撑压力分为由明显运动的岩层重力作用的内应力场和由巷道围岩结构整体重力作用的外应力场两个部分。构造应力作用的结果导致顶底板岩体发生破坏，在一定范围内的构造应力得到释放。巷道围岩主要承受重应力场的作用，在巷道两帮形成支承压力，两帮出现压缩破坏，两帮的破坏随着支承压力向深部转移而逐渐发展，直到支承压力达到稳定后，两帮围岩才趋于稳定。

我矿实测最大主应力值为29～33MPa，方位角131°～148°。对我矿所处的深部开采的高应力环境下，在最大水平应力的作用下会使巷道顶底板岩层发生剪切破坏，继而出现岩层错动和底板岩层的膨胀，造成围岩变形，这已被我矿的生产实践所证实。因此，我矿的锚杆支护设计应侧重于在顶板变形的早期阶段提高围岩的稳定性，以控制后期围岩变形的严重程度。

二、巷道支架-围岩相互作用原理

正确调节和处理“支架一围岩”关系，是支架支护巷道的理论基础，对深化锚杆支护机理具有重要作用。巷道开掘后，巷道空间上方岩层的重量将由巷道支架与巷道周围岩体共同承担，巷道支架和围岩体组成一个共同的承载体系。现有的各种巷道支架，在“支架一围岩”力学平衡系统中，只能承担及其有限的的一小部分载荷，支架在围岩内部应力平衡关系中所起的作用是微小的，更不能企图依靠支架去改变上覆岩层的运动状态.然而支架的这个微小的支撑力又是极其重要和必不可少的，支架的工作阻力，尤其是初撑力在一定程度上能够相当有效地控制直接顶板离层，控制围岩塑性区的再发展和围岩的持续变形，保持围岩的稳定。因此，巷道支架系统必须具有适当的强度和一定的可缩性，才能够有效地控制和适应围岩的变形。

地下工程中围岩不仅是施载体，在一定条件下还是一种天然承载构件，上覆岩层的绝大部分重量完全是由自身承担的。因此，合理的“支架一围岩”相互作用关系是充分利用围岩的这种天然的自承力和承载力。人为的支护作用是在围岩强度、结构、受力环境、位移与力的边界条件等方面创造条件，促进围岩形成自稳和承载结构巷道支护对围岩提供支护阻力，控制围岩塑性区的持续发展，减小围岩移近量。

图1说明支架与围岩相互作用和共同承载原理，可知，如果想依靠支架的支承力完全阻止围岩移动，这时所要求的支架支承力 将为最大值 ，其值相当于开巷前的原岩应力。但是只要围岩产生少量位移， 值就会急剧减小。例如，在A点由于利用了围岩的自承力，支架的自承力 ，将比 小。但是这种情况不能无限制地持续下去，因为随着支架自承力的减小，围岩移近量 会随之增加，而移动量加大到一定程度，围岩将产生松动破坏，这时支架所受的松动压力也会加大（如曲线2）。在曲线1和曲线2的交点B处，围岩最大限度得发挥了自承作用，支架支承力达到了最小 。B点是支架的最佳受载点，该点的位移 则是允许的最大位移量。

实际上，为了保证一定的安全系数，通常不允许支架在B点工作，因而从设计观点看，比较理想的情况是使支架的工作点保持在离B点不远的左面，例如C点，使支架工作时的支承力 稍大于 值，这样才能获得既经济又安全的效果，因而也是支架与围岩相互作用和共同承载的合理工作点。

我矿巷道围岩稳定性大都属于II、III顶板，但直接顶基本为泥岩或砂质泥岩，泥岩层硬度小、易碎、具滑面，而硬度较大的砂岩，分层厚度小，多为块状结构，裂隙发育，将岩体切割成为一个个相对独立的块体，整体性较差。另巷道断面属于大断面，根据理论与试验研究认为：我矿高应力区放顶煤回采巷道应该选择锚杆+W钢带（或钢筋梁）网，并增加锚索的支护形式。