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1、 软岩巷道高预紧力长锚索“倒梯形”支护方案设计 韩金博，黄小平，王张辉，李 超，张 杰，高守世(1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)软岩巷道顶板离层问题是矿井生产中重点解决的问题。工程软岩常表现为弱胶结、黏土矿物含量高等特点。在此类岩体中进行工程开挖，易发生冒顶等灾害。国内外众多学者已在巷道顶板离层机理方面进行了大量的研究，并取得了丰硕成果1-5。王羽扬6，7等针对软岩巷道变形问题，提出了“锚杆(索)网+灌浆+U型钢”的联合支护方案。王志8，9等针对深部巷道应力集中、软弱围岩大变形的疑难问题，提出了利用端部扩孔的锚固
2、方法。陈召等10针对穿层倾斜软岩难支护的问题，提出采用锚注支护控制巷道穿层下的非对称变形，并提出“三次喷浆+高强锚网索+中空注浆锚杆索+底板硬化”的封闭支护对策；高凤伟11，12等人针对赵庄煤矿大断面、易破碎、高应力巷道特点，提出了全断面“高预紧力锚索”支护方法，通过数值模拟确定了锚索的参数，经验证支护效果良好。张少峰13为解决软岩巷道支护难题，减少巷道返修次数，采用现场测试及X射线衍射仪的综合方法，提出“锚网锁喷新型浆液”的支护方式，对巷道进行了修复支护；范磊14，15等基于可拓学理论，运用数值计算等方法，揭示了当遇到坚硬与软弱互层区域下的应力集中巷道应采用高强阻非对称的支护方式，才能有效解
3、决该类巷道的难支护问题。以上研究均从各自工程实例背景出发，针对软岩巷道不同埋深条件、不同构造应力、不同层位布置等情况下，取得的研究成果。本研究以贯屯煤矿50213工作面软岩回风巷为工程研究背景，针对其围岩软弱的特性，通过物理相似模拟试验及理论分析等研究方法，揭示软岩巷道锚索锚固区内外顶板离层机理，并提出合理的支护对策。研究结果可对类似条件下的软岩巷道顶板离层控制具有重要现实意义。1 工程概况1.1 生产条件贯屯煤矿50213工作面平均埋深为204 m，平均厚度为2.12 m，倾角为04，其南侧为5号煤西翼辅助运输大巷，东侧为50212工作面采空区，西侧为50214工作面，北侧为采区边界，502
4、13工作面采掘布置如图1所示。图1 50213工作面采掘布置1.2 地质条件5号煤层基本顶为粉砂岩和油页岩，平均厚度7.0 m，发育较多的水平层理，浸水后岩石多沿层理方向离析成薄片。直接顶为1.28 m粉砂岩，含有较高的粘土矿物，节理裂隙等结构面较发育，抗压强度为16.1 MPa。直接底为泥岩，厚度为2.0 m，抗压强度为19.0 MPa，遇水易膨胀，软化系数为0.59。由于直接底为泥岩，遇水易软化，造成巷道维护困难，巷道返修率高的现状，对矿井的采掘接续、运输等重要环节造成重大影响，煤岩层柱状如图2所示。图2 煤岩层柱状根据ISRM(国际岩石力学学会)定义软岩是指单轴抗压强度在0.525 MP
5、a的岩石。并根据我国煤矿巷道软岩分类的建议中的煤矿软岩巷道综合分类方案，可确定50213工作面回风巷属级软岩巷道。1.3 50213回风巷原支护参数50213工作面回风巷属半煤岩巷，沿煤层顶板掘进，设计总长度为1400 m，回风巷断面为矩形(净宽4200 mm高2800 mm)，支护形式为锚网索支护。顶板锚杆采用22 mm2400 mm的左旋螺纹钢，间排距为900 mm900 mm。帮部锚杆采用20 mm2200 mm左旋螺纹钢，间排距为1100 mm900 mm。锚索采用18.9 mm的钢绞线，长度为7200 mm，间排距为900 mm900 mm。1.4 现场调研与实测1.4.1 围岩变形
6、特征贯屯煤矿50213工作面回风巷属软岩巷道。在掘进期间，由于其围岩整体软弱破碎，强度较低。并且由于直接顶油页岩层厚度大，层间黏结力差，遇水后强度明显降低，导致锚索悬吊岩层厚度较大，且锚索锚固段多位于软弱的油页岩中，进而造成锚索锚固区内岩层整体弯曲下沉，最大下沉量40 cm。帮部内挤严重，两帮最大移进量约30 cm。巷道底板泥岩层厚度大，积水浸泡后强度大幅下降，受两帮支承压力的影响，底鼓现象明显。1.4.2 围岩内部损伤特征对50213工作面回风巷顶板及两帮施工钻孔(顶板10.0 m，两帮5 m)，并采用钻孔成像仪对其内部裂隙损伤特征及破坏程度进行量化表征。钻孔窥视结果表明：巷道上方1.13
7、m左右的顶板多为破碎松散的状态；2.05.5 m范围内，存在密集程度较高的纵向裂隙，裂隙开度为12 mm；6.97.5 m范围内，油页岩与砂岩交界处离层现象明显，部分区域孔壁有空洞现象；当钻孔深度达到7.510.0 m时，孔壁岩层光滑完整，成孔效果较好，围岩完整性好。左帮00.4 m之间也存在小范围的破碎区，1.01.85 m范围内有少量纵向裂隙发育。右帮00.95 m处破碎较为严重，1.42.2 m范围内有少量纵向裂隙发育。1.4.3 巷道顶板深部围岩变形特征为了分析回风巷在回采期间顶板离层量，在回风巷200 m和300 m处分别布置H1和H2共计两个深部位移测站，两侧站分别距工作面为120
8、0 m和1300 m，围岩损伤破坏特征如图3所示。图3 围岩损伤破坏特征由图3(a)可知，受矿山压力的影响，H1测站上覆岩层在41 d内离层速率及离层量快速增加；4152 d内，离层速率及离层量趋于平缓；52 d后离层量不再发生变化，最大离层量为51 mm。由图3(b)可知，H2测站上覆岩层在43 d内离层速率及离层量快速增加；4345 d内，离层速率趋于平缓；45 d后离层量不再发生变化，最大离层量为43 mm。2 软岩巷道锚索锚固区内外顶板离层力学分析2.1 锚索锚固区内岩层力学模型建立为了能够求解出锚索锚固区内外顶板的挠度，假设围岩在掘进期间不会破裂失稳，从而可将顶板岩体看作弹性体。由于
9、基本顶的刚度远大于直接顶，因此软岩巷道锚索锚固区上边界为基本顶对锚索锚固区内围岩形成的载荷p0，下边界为锚索对锚固区内围岩的支护载荷p1，极限平衡区范围内的煤壁对直接顶的支承荷载p2，煤柱对直接顶的支承荷载p3。这样可建立单侧采空巷道锚索锚固区力学模型，锚索锚固区内外顶板的挠度之差即为锚索锚固区内外顶板离层变形量，锚索锚固区内岩层力学模型如图4所示。图4 锚索锚固区内岩层力学模型2.2 锚索锚固区内顶板挠度根据叠加法原理可知，多个载荷同时作用于结构而引起的挠度等于每个载荷单独作用于结构而引起的挠度的代数和15-17。首先计算出上覆岩层载荷p0、煤帮支撑载荷p2、煤柱支撑载荷p3、锚索对锚固区内
10、围岩的支护载荷p1单独作用下弯矩。然后根据挠曲线方程wi(x)和转角方程i(x)公式(1)可将4种载荷产生的挠度分别计算出来，然后求其和，即可得模型的变形总挠度。式中，Ei为锚索锚固区内顶板弹性模量，Pa；Ii为锚索锚固区内顶板岩梁横截面的惯性矩，m4，其中Ii=(hi)3/12；hi为锚索锚固区内顶板岩层厚度，m。1)p0和m作用。模型上边界在均布载荷p0和岩层自重m作用时，锚索对锚固区上边界受力分析图如图5所示。图5 锚索对锚固区上边界受力分析经推导得弯矩方程为：MP0+m(x)=-0.5(p0+mhm)(L0-x)2，x0，L0(2)式中，L0为模型岩梁的总长度，m；p0为基本顶对锚索锚
11、固区内围岩形成的载荷，N；m为岩层的容重，N/m3；x为距O点(模型岩梁旋转点)的距离，m；L为O点至锚固区岩梁悬臂末端的长度，m。2)p2作用。在实体煤帮支承载荷p2作用时，实体煤帮支承载荷受力分析如图6所示。图6 实体煤帮支承载荷受力分析经推导可得OA段岩梁弯矩方程：3)p1作用。锚索对锚固区顶板的支护载荷p1单独作用时，锚索对锚固区顶板的支护载荷受力分析如图7所示。图7 锚索对锚固区顶板的支护载荷受力分析经推导可得OA段岩梁弯矩方程：Mp1(x1)=p1a(L1+0.5a-x1)，x10，L1(4)式中，p1为锚索对锚固区顶板的支护载荷，N；a为锚固区岩梁的长度，m。AB段岩梁弯矩方程：
12、Mp1(x2)=0.5p1(L1+a-x2)，x2L1，L1+a(5)4)p3作用。煤柱对直接顶的支承荷载p3单独作用时，煤柱对直接顶的支承荷载受力分析如图8所示。图8 煤柱对直接顶的支承荷载受力分析经推导可得OB段岩梁弯矩方程：Mp3(x1)=p3b(L1+a+0.5b-x1)，x10，L1+a(6)式中，p3为煤柱对直接顶的支护载荷，N；b为煤柱的宽度，m。BC段岩梁弯矩方程：Mp3(x2)=0.5p3(L0-x2)，x2L1+a，L0(7)考虑到边界条件，1(0)=0，w2(0)=0，结合式(1)和模型顶板岩梁的合弯矩方程可以求解得到常数C1，D1解析式，根据式(1)和模型顶板岩梁的合弯
13、矩方程可以得到巷道锚索锚固区内顶板岩梁的挠曲线方程：2.3 锚索锚固区外顶板挠度根据叠加法原理可知，多个载荷同时作用于结构而引起的挠度等于每个载荷单独作用于结构而引起的挠度的代数和。首先计算出上覆岩层载荷p0、煤帮支撑载荷p2、煤柱支撑载荷p3、锚索对锚固区内围岩的支护载荷p1单独作用下弯矩。然后求其和，即可得模型的变形总挠度。锚索锚固区外不受锚索对锚固区围岩的支护载荷pb的作用，只受顶板均布载荷q、巷帮的支承应力p2和p3的共同作用，然后根据挠曲线方程wi(x)和转角方程i(x)公式(1)可计算出3种载荷产生的合弯矩，其中Ii=(hi)3/12；hi为锚索锚固区外顶板岩层厚度，既为基本顶厚度
14、减去锚索锚固区的高度。锚索锚固区外顶板岩梁的合弯矩方程为：考虑到边界条件，2(0)=0，w2(0)=0，结合式(1)和式(9)可以求解得到常数C2，D2解析式。根据式(1)、式(9)可以得到巷道锚索锚固区外顶板岩梁的挠曲线方程：C2x+D2，xL1，L1+a(11)根据式(10)和式(13)，巷道锚索锚固区内外顶板的离层量方程(x)为：(x)=w1(x)-w2(x)(12)2.4 锚索锚固区内外顶板离层的控制软岩巷道锚索锚固区内外顶板离层量的大小是软岩巷道围岩控制的关键，根据上述分析可知，锚索支护提供一种主动支护力，能把锚固区内岩层进行锚固，使锚固区内岩层运动趋于一致，从而锚固区内不会产生离层
15、，所以在锚固区上边界所受载荷与巷帮的支承载荷不变的基础上，锚索的支护载荷是控制锚固区内外顶板离层的主要手段。根据式(2)，令锚固区内外顶板离层量为0，即w1=0，从而巷内的锚固载荷为：式中，q1为第1层岩层的均布载荷，MPa；E1为第1层岩层弹性模量，GPa；h1为第1层岩层厚度，m；q2为第2层岩层的均布载荷，MPa；E2为第2层岩层的弹性模量，GPa；h2为第2层岩层的厚度，m；y1、y2、y3、y4为位置函数，分别为y1=(x2-4Lx+6L2)x2、y2=(x2-4lx+6l2)x2、y3=2c(-2x+6l+3c)x2、y4=2a3(x-a)。2.5 工程实例根据贯屯煤矿50213工作面回风巷生产地质条件和岩石力学试验结果，侧压系数为0.6，节理面黏聚力为0.9 MPa，内摩擦角为23，煤帮应力集中系数k=2.7，直接顶弹性模量为7.8 GPa，直接顶容重为24.8 kN/m3；根据图2可知，直接顶上覆软弱岩层厚度可以取为17.45 m(10.12 m+7.33 m)，即当上覆岩层平均容重为25.5 kN/m3，载荷p0为0.44 MPa。因此，各影响因子的标准值和变化区间分别为：巷内顶板支护强度p1标准值0.48 MPa，变化区间00.6 MPa；实体煤帮支护强度p2标准值
