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1、大屯矿区深部工程锚网索支护理论与实践马小钧1 何满潮21.大屯煤电（集团）公司生产技术部，江苏 沛县 221611 2. 中国矿业大学，北京 100083摘 要：文章从区域构造应力场入手，分析了大屯矿区的地应力特点，通过引入三维 RQD 指标测定、岩石水解弱化分析来综合评价岩体整体裂隙的发育状况、强度指标。在深部围 岩受力特点分析和数值模拟分析的基础上，解释了锚网锚索支护围岩顶部集中应力区向帮 部低应力区转移的现象，并由此提出了锚网锚索耦合设计的理念。 关键词：深部工程 三维 RQD 锚网锚索 耦合支护1 引 言大屯矿区地处江苏省北部苏鲁交界，是我国华东地区主要产煤和能源供应基地。大屯 煤电（
2、集团）公司现有 4 对生产矿井，设计生产能力 500 万 t，2005 年核定生产能力 770 万 t，2005 年实际生产原煤 740 万 t，综合进尺完成 712.5 万 m。 近年来，随着矿井开拓水平的逐步延伸，大屯矿区除龙东矿之外，姚桥矿、孔庄矿以 及徐庄矿均已陆续进入深部开拓准备阶段。孔庄矿进行-785m 水平开拓准备，徐庄矿-750m 水平开拓大巷已经到位，姚桥矿进行-850m 水平的延伸工程。随着矿井开采深度的加大， 传统工艺施工的巷道返修率增加，许多深部工程矿压问题，尤其是高地应力造成的巷道失 稳破坏，冲击地压等问题开始出现。具体表现在以下几个方面： 深部全煤巷道维护困难。 全
3、煤巷道顶板为松软易碎的顶煤，由于锚杆支护系统作用机理与稳定岩石顶板条件下的支 护系统迥然不同，在较为复杂条件下如采动影响强烈和构造应力显著时，导致锚杆支护巷 道设计不合理性增加，失效现象增多，局部巷道不得不改为锚网与架棚联合支护。而且， 巷道在回采服务期内进行改棚、卧底以及开帮等大范围维修的力度较大，严重影响了放顶 煤工作面的正常推进。如姚桥矿 7001 工作面和孔庄矿 7431 工作面在回采期间，沿空侧巷 道均出现了严重的巷道底臌、大变形，工作面推进困难。在开采深度大、围岩软弱，加 上受上覆工作面开采扰动的影响时，深部岩石大巷从开掘之初，底臌、两帮移近、肩窝变 形破坏较为严重，返修率增高。
4、深部大断面硐室群、交岔点等工程的支护难度进一步增 大。姚桥矿和孔庄矿均已发生过冲击矿压。 面对深部工程支护中存在的问题，我们与中国矿业大学（北京）合作，对不同类型的 巷道建立支护试验示范工程，在试验的基础上进行研究、总结、推广和应用。通过近两年 的工作，在煤巷、岩巷以及大断面交岔点的锚杆支护技术难点攻关方面开展了卓有成效的 工作，有了突破性的进展，取得了复杂地质条件煤巷、岩巷以及大断面交岔点等锚杆支护 技术 10 多项创新成果，对深部巷道支护的规律性有了初步的认识。2 深部开采的地质特征分析2.1 区域构造 大屯矿区位于秦岭构造带东延部分的北支，新华夏系第二隆起带的西侧，第二沉降带 的东侧，东
5、邻郯庐大断裂，受东西向构造和新华夏两种构造的作用，处于两个构造体系的复合部位，为地应力较为活跃的区域之一。 大屯矿区主体位于丰沛复向斜内，由于受新华夏系强烈改造的影响，区域地壳经过多 次反复运动，使各种构造行迹互相迁就，时而北东东向，时而东西向，时而北西向，形成 了东西向成带，近南北向切割的菱形断块式煤田，大屯矿区区域构造体系见图 1。矿区地 质条件较为复杂。据初步测算，所在的几个生产矿井中，落差大于 20m 的断层密度达到 1 条/km2以上，小型断层密度更大，达到 23 条/ km2，中、小断层互相交叉切割，给采掘 生产带来很大的难度。图 1 大屯矿区区域构造体系图 2.2 地层岩性 大屯
6、矿区煤系地层为石炭二叠系，主采 7、8煤层，属华北近海性煤系地层，为海 陆交互相沉积。全区呈 N4570E 走向，倾向北西的单斜构造，煤岩层倾角 1027。典型煤系地层可以划分为泥岩组、砂岩组、煤体组和灰岩组。各岩组的主要 力学参数见表 1。 表 1 大屯矿区主要岩组力学参数试验项目单轴压缩试验饱水单轴压缩试验劈裂拉伸试验直剪试验试验 指标单轴抗压 强度 c (MPa)弹性 模量E (GPa)泊松比 饱水岩石单轴抗 压强度cw (MPa)软化 系数劈裂拉伸 强度t (MPa)饱水劈裂拉 伸强度tw (MPa)软化 系数内聚力C (Mpa)内摩擦角 （）细纱岩69.2527.890.14367.
7、190.97011.8710.460.88123.8633.70 泥岩51.4730.590.16736.270.7057.906.420.81322.8035.33 砂质泥岩89.8229.830.22469.510.7749.851.690.17224.3737.37 7煤26.154.5090.35818.060.6910.8980.2110.2355.41840.07 海相泥岩43.2715.010.21211.480.2652.7260.1130.04212.6030.03表 2 大屯矿区深部典型岩体三维 RQD 指标质量统计岩石质量统计泥岩组煤体组砂岩组灰岩组3DRQD 值X 向1
8、6949897.9Y 向38.51009395Z 向50.2557.786100量测地点埋深810m830m880m817m在深部开采的岩性评估过程中，由于在试验室测定的参数主要代表单个岩石试件，并 非反映岩体具有多裂隙、非均质和各向异性的特点。这里引入三维 RQD 指标，通过在现场 测定岩体不同方向的 RQD 指标，来评价岩体整体裂隙的发育状况。现场测定的反应岩石质 量指标的典型 3DRQD 指标见表 2。从两个表中可以看出，大屯矿区从砂岩到泥岩，岩石 试件单轴抗压强度逐步降低，岩体裂隙率逐渐增加。泥岩的岩体强度较低，海相泥岩在自 然状态下的单轴强度为 43.27MPa,而在饱水情况下，单轴
9、抗压强度降为 11.48MPa，较自然 状态强度降低了 73，在巷道开掘后，如不及时封闭围岩，由于自然风化潮解，岩体强度 会急剧降低，给巷道支护带来难度。3.锚网索支护在深部煤巷工程支护中的适应性研究3.1 深部围岩的受力特点 巷道开挖后，壁面围岩由三维应力状态变为二维应力状态，最大主应力是沿巷道壁面 的切线方向，巷道壁面切向应力达到最大值。最小主应力是沿巷道的径向应力，径向应力 在巷道周边为零，向围岩内部逐渐增大，这个应力调整过程是瞬间完成的。如果巷道埋深 超过软化临界深度，调整后的应力高于岩体强度的部分岩体就发生破坏，靠近壁面的岩体 最先破坏，最大主应力集中区向围岩内部移动。调整的结果，围
10、岩出现了四个区即塑性流 动区、塑性软化区、塑性硬化区、弹性区（见图 2） 。图 2 深部煤巷支护体围岩结构分区 研究表明，塑性硬化区是围岩承载的主体，塑性软化区和塑性流动区是实施支护的主 要对象，因此，研究巷道在各种支护载荷作用下的塑性软化区和塑性流动区的变化范围是 确定支护参数和支护强度的关键。图 3 巷道围岩不同受力特点图 4 巷道围岩应力图 如图 3 和图 4 所示，深埋巷道开掘后，周边的切向应力用弹性理论可以较好地解释巷 道周边的应力，切向应力可以用以下公式表示：2222222022222220sinmcossinm2mcoscospsinmcoscos2msinsinmp（1） 式中
11、： p0垂向应力，MPa侧向应力集中系数； m巷道轴比，；abm 对于顶点 A：，代入公式得：0 )2m1 (pp00在深部条件下，如果，巷道只有满足一定的轴比，才不会出现拉应力。一般情1 况下，由于巷道设计的需要，轴比难以满足需要，巷道会出现拉应力集中。 对于两帮中点 B：，代入公式得： 9000p)m21 (p如果，巷道以压应力为主。所以在深部高自重应力场中，应通过合理的巷道支1 护，减小顶板中部的拉应力集中。如果两帮岩体较为软弱，应防止帮部的压裂破坏和片帮。 通过加强支护，改善周围岩体的应力状况，可以保持巷道稳定。 3.2 锚网与围岩耦合作用机理分析 通过锚网索支护系统与巷道围岩的相互作
12、用，可最大限度地减少周边应力集中，达到 成功支护的目的。其中，锚网和围岩的耦合作用十分重要，过强或过弱的锚网支护，都会 引起局部应力集中而造成巷道破坏。只有当锚网和围岩强度、刚度达到耦合时，变形才能 相互协调。达到耦合的标志是围岩应力集中区在协调变形过程中，向低应力区转移和扩散， 从而达到最佳支护效果。 3.2.1 围岩集中应力区向低应力区的转移现象 数值模拟研究结果表明（图 5） ，在巷道掘进初期，巷道围岩顶部应力迅速集中，是巷 道垮落危险区域；在实施锚网耦合支护后，顶部应力集中区迅速下降，而帮部低应力区应 力状态迅速提高，整个围岩不同部位应力状态趋于均匀化。由此可见，实施锚网耦合支护 技术
13、以后，围岩支护状态从开放环境到封闭力学环境，围岩集中应力区向低应力区发生了 转移和扩散，整个应力扩散均匀化过程是通过锚网耦合设计自动实现。1掘进锚喷后围岩应力状态； 2锚网耦合设计作用后应力状态； 3应力转化中性点； 4应力变化趋势 图 5 围岩顶部集中应力区向帮部低应力区转化过程 3.2.2 围岩应力场和位移场的变化 随着围岩受力由集中应力区向低应力区转化，锚杆受力趋于均匀化，围岩的应力场和 应变场趋于均匀化。 3.3 锚索的关键部位耦合机理分析 锚索除具有普通锚杆的的悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用、楔固作用外，与普通 锚杆不同的是对顶板进行深部锚固而产生强力悬吊作用。通过锚索支护，改善了
14、巷道的受 力条件，使相邻的锚杆、锚索的作用力相互叠加，组合形成新的、厚度和刚度增大的岩梁， 顶板压力通过巷道煤帮向煤体深部转移，顶板得到有效控制，有效抑制帮臌。图 6 拱形巷道锚索关键部位耦合图 7 矩形巷道锚索关键部位耦合 如图 6 和图 7 所示，没有锚索支护时，直墙半圆拱巷道周围形成“双耳”应力集中关 键部位，常常造成巷道两边剪坏；在应力集中关键点上施工锚索后，浅部围岩剪应力集中 程度明显减小，深部岩体的剪应力水平显著增加，表明调动了深部岩体强度，控制了浅部 岩体的稳定性。4 锚网索支护在深部煤层巷道支护的应用实践大屯煤电集团公司姚桥矿从上世纪 90 年代后期，率先在综放工作面 7516
15、、7507 等顺槽、开切眼成功地应用煤巷金属树脂锚杆（索）进行支护。随后，煤巷锚杆（索）支护技 术在全局范围内普遍推广。近年来，随着开采深度逐年增大，我们积极探索适应深部地质 条件的支护设计思想及巷道控制手段，对煤巷锚杆支护进行试验、理论研究后加以推广， 在深井煤巷锚杆支护理论中积累了一定的经验。 4.1 高强锚杆（索）的合理选择 大屯矿区使用的锚杆主要有直径 14mm、16mm、18mm、20mm 和 22mm 左旋无纵筋螺纹钢 锚杆。锚索主要采用直径 15.24mm、17.8mm 和 18.9mm 的钢绞线。在深部地压大、断面大、 受采动影响强烈的巷道支护中，我们要求使用直径 22mm 和
16、 18.9mm 的高强锚杆和锚索。从 技术角度考虑，锚杆和锚索的直径越大，提供的锚固力越大，支护效果越好。但锚杆直径 增大将使锚杆支护成本增加。资料表明，当钻孔直径为 29mm、锚固长度相同的情况时，如 果以直径 14mm 带纵筋建筑螺纹钢锚杆支护成本为基准，锚杆直径增大，锚固成本增加 313%。锚杆直径增大锚固力也增大，其增加幅度为 31147%。两个增加幅度相差悬殊， 后者增加幅度是前者的 1011 倍。所以适当加大锚杆杆体直径在技术和经济上是较为有利 的。 4.2 适度让压原则 深部巷道开挖以后，原来储存在岩体内的应力和能量会发生释放和转移。通过预留变 形空间，在原来的金属托盘上加设具有一定厚度的木托盘，针对钢绞线锚索延伸率低 （15.24mm 的钢绞线,延伸率为 3.5）的弊端，对锚索设计了专门的让压托盘，可以充分 释放巷道变形能，又保护了托盘受力状况
