２０１０年第１０期 中州煤炭 总第１７８期 应力集中区巷道失稳机理及支护体系研究 李延河 （中国矿业大学，江苏徐州２２１００８） 摘要：应力集中区布置的巷道变形严重，极不稳定，严重影响了矿井的正常生产和安全。在对平禹煤电公司 二矿巷道失稳变形破坏和地质及技术资料分析的基础上，指出了该矿巷道破坏的原因，设计了“三锚”、钢筋 梯和注浆联合支护体系，并进行了巷道支护改革试验。通过合理选择施工工艺、巷道支护结构与支护技术参 数，改被动支护为主动支护，使巷道变形得到控制，其效果明显。 关键词：采动应力；应力集中区；巷道支护 中图分类号：ＴＤ３５３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—０５０６（２０１０）１０—０００６—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｌａｎｅｗａｙ Ｕｎｓｔａｂｌｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｓｔｒｅｓｓ－ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ Ａｒｅａ Ｌｉ Ｙａｎｈｅ （Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＭｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１００８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｎｅｗａｙ ｉｎ ｓｔｒｅｓｓ—ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ａｒｅａ ｉｓ ｖｅｒｙ ｓｅｒｉｏｕｓ．Ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｕｎｓｔａｂｌｅ．Ｔｈｉｓ ａｆｆｅｃｔｓ ｈｅａｖｉｌｙ ｎｏｒｍａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｌａｎｅｗａｙ ｄｅ￣ｒｍａｔｉｏｎ，ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｄａｔａ，ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｌａｎｅｗａｙ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｎｏ．２ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ｏｆ Ｐｉｎｇｙｕ Ｃｏａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．ｗｅｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｊｏｉｎｔｅｄ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ３ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ａｎｃｈｏｒ ｂｏｌｔｓ，ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ａｎｄ ｇｒｏｕｔｉｎｇ，ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｉｓ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｔｅｓｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｃｓ，ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ，ｔｈｅ ｆｏｒｅｇｏｉｎｇ ｐａｓｓｉｖｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｗａｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｉｎｔｏ ａｃｔｉｖｅ ｓｕｐｐｏｒｔ，ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ ｗａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｉｎｇ—ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｔｒｅｓｓ；ｓｔｒｅｓｓ—ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ａｒｅａ；ｒｏａｄｗａｙ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ 平禹煤电公司二矿井田为一向南倾斜的单斜构 造，地层倾角１５。～２４。。二级集中下山位于一２５～ 一（１）煤柱留设不合理。在采动影响下，沿回采 工作面推进方向，回采空间两侧煤体和煤柱的应力， 随着与工作面的距离和时间不同而发生很大变化， 一２１０ ｍ水平。由于过量开采井筒煤柱，导致井筒 受采动应力影响而变形，出现了严重的两帮内挤和 般出现３个应力区，即原岩应力区、应力增高区、 底鼓现象。２００６年以前曾采用砌碹、ｕ型钢、工字 钢、砌碹与工字钢联合支护形式维修，但维修效果 差、周期短，威胁着矿井安全，严重制约了矿井的发 展。针对井筒破坏变形的情况，平禹煤电公司二矿 开展了软岩高应力巷道支护改革的试验，探索软岩 受采动应力影响而失稳变形巷道的新型支护体系， 以保证矿井的生产安全。 应力稳定区。其中应力增高区由应力渐增、强烈和 衰减３部分组成。平禹煤电二矿回采的不合理性使 巷道周围形成了高应力区域，改变了巷道的应力状 态，导致巷道的围岩应力再一次重新分布，塑性变形 区扩大和周边位移显著增加（图１）。 ｌ巷道失稳破坏的原因 根据已掌握的地质和技术资料，通过深入调查 分析，得出二级集中下山巷道失稳破坏的原因。 图１巷道变形破坏示意 收稿日期：２０１０—０６—２３ ．作者简介：李延河（１９７２一），男，河南修武人，工程师，中国矿业大学 在读硕士，主要从事巷道支护研究工作，现任河南平禹煤电有限责任 回采工作对采用煤柱维护巷道或沿采空区保留 巷道的影响，实质上是在巷道周围形成了高应力场， 公司副总经理。 ・从而改变了巷道在回采影响之前的应力状态，致使 ６・ ２０１０年第１０期 李延河：应力集中区巷道失稳机理及支护体系研究 总第１７８期 巷道的围岩应力再一次重新分布，塑性变形区扩大， 周边位移显著增加。这个高应力场是变化的、不均 匀的，它主要取决于巷道距离回采工作面的距离、周 围的采动状况以及巷道与采空区边缘的距离等。 （２）巷道围岩强度低。五，煤层顶板为砂质泥 岩，常有炭质泥岩伪顶（０．２～３．０ ｍ）；底板以泥岩 和砂质泥岩为主；顶底板不完整、易碎。通过ＲＦＰＡ 数值模拟和相似模拟试验，模拟开采之后采空区对 巷道破坏的影响及破坏的发展过程和不同支护方案 巷道围岩应力场、位移场的分布。结果表明：受采动 影响后，围岩应力急剧增加，最大主应力峰值在５０ ～６０ ＭＰａ，高应力集中区随着护巷煤柱宽度的减 小，逐渐由采面附近向巷道所在位置移动。应力重 新分布后，在距巷道ｌ０～１５ ｍ范围内的应力显著增 大，若巷道布置在该区域内，则矿压显现明显，在高 集中应力作用下巷道围岩出现失稳破坏现象。此 外，由于应力集中程度高的巷道底角部出现裂缝，导 致巷道底部围岩破坏严重。 （３）支护结构与参数选择不合理。二级集中下 山原采用荒料石三心拱砌碹支护，巷道净宽２．８ ｍ， 净高２．６ ｍ，该巷道设计护巷煤柱宽４０ ｍ，由于过量 开采，实际煤柱宽仅２０ ｍ（图２）。巷道西边为采空 区，东边为胶带斜井。由于该巷道支护方式及参数 选择不合理，后虽经多次扩修卧底，但巷道变形依然 严重，维修时曾采用砌碹、Ｕ型钢、工字钢、砌碹与工 字钢联合支护等被动支护形式，维修后，很快开始变 形，导致维修周期缩短，不能满足矿井生产需要。 一 图２二级集中下山巷道平面布置示意 （４）施工质量的影响。在维修过程中，由于机 械化装备落后，作业人员技术水平较低，不会有效利 用新技术、新工艺、新装备，破坏了围岩的完整性。 ２ 巷道支护 ２．１支护方案及支护结构 （１）支护方案。通过分析二级集中下山变形破 坏原因，决定采用两帮打卸压孔和“三锚”支护、两 帮和底角注浆加固的施工方案，以改善底板和两帮 煤（岩）体的承载能力，有效阻止巷道收敛变形破 坏。扩修沿基本顶矩形断面施工，扩修后巷道净宽 ４．０ ｍ，净高２．８ ｍ，可以满足矿井生产的需要。 （２）巷道各部位支护结构。①顶板：锚杆＋金 属网＋钢筋梯。②两帮与底角：锚杆＋金属网＋钢 筋梯＋锚注。③底板：注浆加固。 ２．２支护参数 （１）两帮和顶板锚杆。锚杆使用左旋无纵筋螺 纹钢制作，锚杆规格为（２ｊ２０ ｍｍ×２ ０００ ｍｍ，顶板锚 杆间距均为８００ ｍｍ，两帮锚杆间距均为７００ ｍｍ，锚 杆孔径为２８ ｍｍ，采用树脂药卷端锚，锚固长度大于 ６００ ｍｍ，锚固力不小于７０ ｋＮ。 （２）注浆锚杆。注浆锚杆 ２２ ｍｍ×２ ０００ ｍｍ， 侧帮锚杆问排距均为９００ ｍｍ，底板锚杆间排距均为 ８５０ ｍｍ。底角注浆锚杆下扎角３０。，排距８００ ｍｍ。 （３）锚杆托盘。采用１０ ｍｍ×１００ ｍｍ×１００ ｍｍ 的钢板托盘。 （４）金属网。其规格为１．０ ｍ×２．０ ｍ，采用８ 或１０＂铁丝编织的经纬网，网格为４０ ｍｍ ｘ４０ ｍｍ。 （５）钢筋梯。采用 １６ ｍｍ螺纹钢制作。 （６）锚喷。喷射混凝土配比水泥：沙子：米石为 １：２：２，掺入３％～５％的速凝剂，分２次喷射，喷混 凝土厚１００ ｍｍ：初喷３０ ｍｍ，复喷７０ ｍｍ。 （７）注浆。滞后锚杆支护２０—３０ ｍ，在两帮和 底角螺纹锚杆间插空布置内注浆锚杆，锚杆孔径为 ２２ ｍｍ，锚杆孔深不小于２．４ ｍ，其底角锚杆孔口距 巷道底板不超过１００ ｍｍ，使用中空快硬水泥药卷和 水泥浆封孔，封孔长度不小于１．０ ｍ，注浆液采用 Ｐ．０４２．５普通硅酸盐水泥和水玻璃浆液配置而成， 水灰比控制在０．８～１．０，水玻璃的掺量为水泥用量 的３％～５％，注浆压力控制在２．０ ＭＰａ以内，当巷 道底板或两帮出现严重渗漏时，即可停止注浆。 ２．３卸压措施 在巷道两帮中部布置２～３排卸压孔，与锚杆位 置错开。卸压孔深５．０ ｍ，直径４５ ｍｍ，排距８００ ｍｍ （图３）。 图３两帮卸压孔和锚杆布置示意 ・７・ ２０１０年第１０期 中州煤炭 总第１７８期 ２．４施工工艺 ３．２巷道支护质量 变形巷道整修施工工艺为：修边处理一巷道成 在二级集中下山７００ ｍ整修中应用了该项技 型一打帮锚杆挂网一上钢筋梯一打顶锚杆一上钢筋 术，经监测对比发现，使用该技术后巷道底鼓、位移 梯一两帮喷浆（３０ ｍｍ）一打注浆锚杆一复喷（７０ 变形量由原来的１ ５００ ｍｍ／月，减少到６个月最大 ｍｍ）一打底注浆锚杆一注浆。 变形量４５ ｍｍ，保证了巷道的长期使用，满足了安全 ２．５施工质量要求 生产需要。截至目前，该项支护技术已在胶带斜井 锚注联合支护体系很多属于隐蔽工程，因达不 下段６００ ｍ，二级猴车下山７００ ｍ以及其他硐室的 到设计标准而导致的施工质量问题时有发生。为了 整修改造、变形巷道和再掘软岩巷道中得到推广。 保证整体支护效能的发挥，对涉及工程质量的各个 ３．３效果分析 环节必须进行严格的检查和验收，对不符合设计要 （１）提高了提升运输能力，缩短了影响时间，提 求和施工规范的部分责令整改。 高了井下掘进工效，月单头掘进由全岩巷４０ ｍ提高 ３巷道施工效果 到６０ ｍ，半煤岩巷由９０ ｍ提高到１６０ ｍ。 （２）采用该项技术前，每年对二级集中下山维 ３．１ 支护效果测试验证 修３遍，费用为４ ５００元／ｍ。采用该项技术后，观察 为了检验新支护方式的应用效果，对该巷道进 现场变化情况，近１０ ａ内不需维护。 行了变形测定（图４）。１ 测点布置在试验段二级集 （３）安全效果明显，因原支护方式下断面收缩 中下山一１７０ ｍ向下２０ ｍ处，２ 测点布置在试验段 变形快造成的损坏矿车、挤坏排水管路、电缆等设施 一１７０ ｍ向下４０ ｍ处。观测时问从２００６年４月４ 事故大大降低。 日凌晨至４月２９日。试验期间在试验段巷道向下 （４）通过推广应用，延长了井筒服务年限，减小 ３０ ｍ处进行了一次锚杆抗拔力试验，试验６根锚 了通风阻力，改善了井下生产条件。 杆，其抗拔力分别为７２，７６，７２，８５，６６，７３ ｋＮ，设计 抗拔力为７０ ｋＮ，合格率为８３．３３％。 ４ 结语 平禹煤电公司二矿通过合理选择施工工艺、巷 ６Ｏ 道支护结构与支护技术参数，改被动支护为主动支 ４０ 护，减缓了人为围岩松动圈扩大，控制了应力影响围 羹２０ 岩松动圈扩大。同时，利用注浆法提高了裂隙区强 Ｏ １０ ２０ ３０ 度，使巷道围岩承压强度基本一致，巷道支护合理， 观测时间，ｄ 变形小，确保了巷道安全使用。该项技术在胶带斜 图４巷道观测变形曲线 井、二级猴车下山以及大断面车场、硐室改造等施工 中应用，效果良好。 （责任编辑：秦爱新） ； ａ ｛ 苔 ｛ 蔷 （上接第５页） 建议意见调研活动，了解职工需 境中生活，尽享“五优”矿井创建带来的丰硕成果。 求，为职工排忧解难。２００９年，职工月平均工资达 到２ ９５０元，较２００８年同期增长２２．６％。矿井投资 ５ 结语 １２０余万元落实年初职代会上承诺的“十件实事”； 在新的征途上，团结奋进的云煤二矿人将在河 筹措资金４万多元帮扶困难职工、困难党员；统一购 南煤化集团优秀企业文化指导下，秉承“用心做事， 置了职工公寓楼空调及床上用品；对供暖锅炉进行 追求卓越”的工作作风，发扬综合实力创佳绩、专业 升级改造，使工业区、生活区供暖覆盖率达１００％， 管理争第一的创业精神，求真务实、锐意进取、团结 为职工营造了温馨舒适的住宿环境，极大地激发了 拼搏，把云煤二矿打造成为河南中小型煤矿中一颗 广大干部职工干事创业热情，为创建“五优”矿井奠 璀璨的明珠！ 定了硬件基础。全矿干部职工在文明体面和谐的环 （责任编辑：许久峰） ．Ｒ・