大埋深高应力巷道支护技术实践
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摘 要：结合大埋深巷道顶板变形及破坏规律，通过从围岩应力、围岩强度和巷道支护三方面分析己15-23160机巷发生顶板剪切破坏的原因，确定从增大顶板预紧力方面入手优化己15-23160机巷临近巷道己15-31020风巷支护方案：用2根3m长锚索代替顶板柱肩以外2根锚杆，将对顶板的预紧力由10吨提升至20吨，围岩监测结果表明，该支护方案有效提高了顶板支护强度，巷道变形量得到了控制，杜绝了顶板剪切破坏和锚杆支护失效现象。
关键词：大埋深；支护失效；预紧力；剪切破坏
0 概况
对于锚杆支护煤巷来说，顶板发生剪切破坏往往会造成顶锚杆剪断，顶板下沉，支护失效，严重威胁安全生产。本文在分析己15-23160机巷顶板剪切破坏原因的基础上，通过优化支护方案，提出了己15-31020风巷支护方案，并取得了成功。
1 剪切破坏原因分析
平煤股份四矿己15-23160机巷设计为矩形全锚支护，巷道净宽4.8m，净高2.8m，顶锚杆采用高强让压锚杆，帮锚杆采用高强锚杆，顶锚杆间排距800×800mm，每排7根顶锚，上下帮锚杆间排距为900×800mm和750mm×800mm，每排4根，锚索采用直径17.8mm长6.5m锚索，五花布置。在支护过程中，局部地段出现了顶板剪切破坏，主要特征为：一是在顶板以上1.1m处岩层错动，锚杆破断处明显为剪断形态；二是顶板剪切发生的位置多位于巷道柱肩1m范围内，顶板出现明显的错动。
一般来说，围岩应力、围岩强度和巷道支护是影响巷道支护稳定性的三要素，因此，结合己15-23160机巷地质条件，从这三方面来分析确定己15-23160机巷出现剪切破坏的原因：（1）巷道埋深大，原岩应力高。己15-23160机巷井下标高-645～-575m，地面标高278～392m，埋深最大达到980m，造成巷道原岩应力σz高达24.5MPa，在如此大的原岩应力作用下，巷道掘进后，围岩应力在重新分布过程中，顶板在由三向受力状态转变为二向受力状态时，裸露的顶板将遭到两帮水平应力的挤压，形成错动，导致剪切破坏的发生；（2）顶板中含软弱夹层。通过分析己15-23160机巷综合柱状图可知，巷道顶板以上1.1m处含有约0.6m厚的炭质泥岩软弱夹层，导致顶板形成“中间弱、两边强”的夹心饼层状结构，导致巷道顶板各岩层间粘结力减弱，这种层状结构在水平挤压应力作用下最易发生剪切错动，导致顶板破坏，这也是顶板以上1.1m处岩层发生错动的主要原因；（3）锚杆支护层位顶板预紧力有限。己15-23160机巷顶锚杆长2.6m，强度为500MPa，直径22mm，其屈服载荷为19吨，其对顶板的预紧力为10吨，按照理论计算，预紧力越大，围岩受力状况越好，其承受水平应力的能力和抗剪切错动能力越大，因此进一步提高预紧力将提高顶板的抗剪切能力。
2 支护方案优化
根据第一部分分析，影响巷道稳定性的三因素中，围岩应力、围岩强度属于自然条件，不能改变，因此，只能从巷道支护方面优化，以提升巷道抗剪切能力。
己15-31020风巷与己15-23160机巷中对中10m布置，为防止支护中出现己15-23160机巷类似的剪切破坏现象，结合上述分析，优化支护方案如下：（1）己15-31020风巷设计断面，顶锚杆、帮锚杆类型与己15-23160机巷相同；（2）优化锚索补强支护参数：己15-31020风巷的锚索参数优化如下：将原己15-23160机巷使用的直径17.8mm长6.5m七丝锚索更改为直径22mm长7m的19丝锚索，仍沿用五花布置；将原己15-23160机巷使用的顶板柱肩以外的2根顶锚杆用2根直径22mm长3m的锚索代替，这种优化的目的为：一是增强锚杆支护层位的顶板预紧力，一般来说，锚索对顶板岩层预紧力为锚杆设计载荷的1.0倍，而锚杆预紧力仅为锚杆设计载荷的0.5倍，因此，在使用3m锚索后，在锚杆支护层位上的岩层预紧力由10吨增加至20吨，增大一倍之多，减少了顶板错动破坏现象；二是在用锚索代替容易发生剪切破坏的锚杆后，即使顶板发生了错动，锚索索绳的柔性亦能抵抗顶板水平方向一定范围的错动而不至于破断。
3 支护效果分析
己15-31020风巷采用优化后的支护方案后，目前已经掘进1100余米，从现场实际看，取得了良好的支护效果：一是未发生顶板剪切错动现象，顶板完整性良好；二是未出现锚杆锚索破断现象，仅仅在局部压力较大地段出现锚杆让压管变形现象；三是通过顶板离层和围岩变形监测看，全巷道范围内顶板离层量最大为32mm，两帮移近量最大为540mm，证明优化后的支护方案支护效果明显。
4 结论
（1）根据己15-23160机巷出现的局部顶板剪切破坏现象，从围岩应力、围岩强度和巷道支护三方面进行了分析，得出其主要原因为：一是巷道埋深大，原岩应力高；二是巷道顶板中存在软弱夹层，导致巷道顶板呈层状分布，顶板抵抗水平应力能力弱，易发生剪切错动现象；三是锚杆支护层位顶板预紧力有限，对顶板的抗水平应力提供的围压不足；
（2）从提高顶板预紧力入手，优化了己15-31020风巷支护参数：加长加粗了五花布置的长锚索，并采用2根3m的短锚索代替2根柱肩以外的顶锚杆的方法，不但提高了锚杆支护层位顶板的预紧力，还提高了巷道抗顶板剪切错动能力。
（3）己15-31020风巷顶板离层和围压变形监测结果表明，该支护方案是成功的。
参考文献：
[1]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.
[2]侯朝炯，郭励生，勾攀峰.煤巷锚杆支护[M].徐州：中国矿业大学出版社，1999.
作者简介：李宗岑（1985-），男，河南镇平人，研究生，助理工程师，主要从事：巷道掘进和支护技术方面的研究工作。
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