连传杰冯川川高贯林

（1.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东省泰安市，271019；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590；3.泰安泰烁岩层控制科技有限公司，山东省泰安市，271200）

构造复杂区巷道让均压锚网索非均称支护技术试验

连传杰1冯川川2高贯林3

（1.山东科技大学土木工程与建筑学院，山东省泰安市，271019；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266590；3.泰安泰烁岩层控制科技有限公司，山东省泰安市，271200）

针对宝积山煤矿707工作面构造复杂区巷道非对称变形破坏与支护结构失效严重的现象，对其破坏机理进行理论分析与数值模拟。结果表明：非对称应力场、关键部位的拉剪混合破坏、应力集中是巷道变形破坏的主要原因，并提出让均压锚网索非均称支护技术。现场实践表明，采用高强高预应力锚杆、非均称支护、让均压支护方案后，巷道变形量与非对称性得到有效控制，120 d内巷道顶底板移近量138 mm，两帮移近量98 mm，巷道围岩稳定性大幅提高。

构造复杂区 工作面巷道 巷道支护 非均称支护技术 让均压支护系统 数值模拟

随着矿井开采深度的增加，巷道围岩应力水平大幅提高，当巷道处于断层、褶曲等构造区域时 ，巷道易出现不规则大变形，支护困难。针对宝积山煤矿707工作面构造区巷道非对称变形严重问题，通过对巷道破坏机理分析，提出让均压锚网索非均称支护设计理念，允许巷道支护关键部位适度变形的同时实现让均压，对类似条件下的巷道支护具有一定指导意义。

1　工程概况

707工作面主采侏罗系1#煤层，煤层厚度9.84～20.96 m，平均厚度13.2 m，煤层倾角8°～27°，内含阶梯状断口，煤层普氏系数f=1.3～1.5，节理裂隙发育。707工作面所在井田基本为一单斜构造，倾角浅部较大深部变小，煤层厚度大且不稳定，西厚东薄，工作面南部靠近F46断层。巷道围岩受构造应力影响变形严重，两帮内移，顶板下沉，最初的拱型巷道已变成∧型，部分区域两帮移近量达1.5 m，巷道有效断面大幅度减小，前掘后修现象十分严重。煤层顶底板岩性如表1所示。

2　巷道破坏影响因素分析

当围岩含有强度较低、变形较大或受力状况恶化的岩体时，称为弱结构巷道。构造复杂区巷道由于地质条件复杂，受构造应力影响较大，巷道围岩破碎，各部位岩性特征又不尽相同，容易形成弱结构体。巷道围岩破坏首先从弱结构体开始，在弱结构体中形成破碎区，随变形破坏发展，将导致巷道其他部位变形破坏加剧，最终导致巷道整体变形。根据该巷道变形破坏情况，经现场观测与理论分析认为，特殊地质构造、巷道围岩岩性特征、支护方式是巷道破坏主要影响因素。

2.1特殊地质构造影响

707工作面位于井田东翼，浅部为正在开采的705工作面与703、701工作面采空区，西部为尚未开采的706、708工作面，深部紧邻落差达80 m的F46断层。受F46逆断层走向变化影响，707工作面设计成不规则的刀把状，回采期间易受浅部工作面采空区见方效应影响造成应力集中现象。整体来看，707工作面应力环境复杂，受断层与浅部工作面采空区影响较大，易造成支护体的偏载现象，引起巷道围岩局部失稳和破坏，部分区域断层侧巷帮移近量达1 m以上，两帮呈不对称变形破坏，支护较为困难。工作面布置如图1所示。

图1　工作面布置图

2.2巷道围岩岩性特征影响

煤层直接顶为碳质泥岩并含大量有机质，遇水或潮湿空气易风化崩解，稳定性较差。煤层节理裂隙发育，整体性较差，在自重应力的作用下煤层及岩层层理间易发生层间错动，锚杆易受剪切力影响失效，最终导致巷道整体失稳。

2.3支护方式的影响

工作面所在区域地质构造复杂，巷道不同部位应力分布不同，巷道两帮围岩的变形、破坏发展不均衡。原支护方式采用均称支护，不能针对性地及时控制变形较大部位的早期变形，初期锚杆锚固端后期可能处于松动范围内，围岩不能为锚杆提供稳定受力支撑点，不能充分发挥锚杆支护作用。此外，均称支护并不能从根本上解决巷道部分位置应力集中现象，易造成局部锚杆破断并最终影响整体支护效果。

3　构造复杂区巷道支护技术研究

3.1构造区巷道支护思路

针对巷道两帮及顶板受力不均衡、变形不协调现象，对关键部位加强支护，同时采用非均称支护设计，对锚杆（索）进行耦合让均压设计，充分发挥围岩的自承载能力，使支护体与围岩之间变形协调，实现支护一体化，载荷均衡化。

3.2构造区巷道支护方法

（1）高强高预应力锚网索支护。适宜的预紧力可以使巷道围岩处于受压状态，有效抑制围岩早期变形，保证巷道围岩的整体性。选择锚索作为辅助支护，锚索与锚杆支护形成的压应力区叠加形成骨架支护网络，以保障巷道支护的长期稳定性。

（2）非均称支护。普通支护通常不考虑巷道顶板及两帮应力分布的差异性，采用相同或相近的支护参数与措施，易导致支护体偏载并造成局部失稳。非均称支护即对巷道弱结构部位加强支护或局部弱化，改善巷道局部围岩力学性能与应力状态，可降低巷道局部剧烈变形，并根据数值模拟与现场观测分别确定顶板及两帮锚杆（索）支护参数。

（3）耦合让均压设计。耦合让均压即通过在关键支护部位锚杆（索）尾部增加让压管，理想状态下让压管可在变形的同时提供恒定高阻力。锚杆（索）可在保持承载力的前提下，通过让压管延伸释放变形能量，调整局部围岩应力集中分布现象，实现支护一体化、载荷均衡化。

4　巷道支护设计方案

4.1数值分析

采用FLAC3D软件对巷道应力分布情况进行模拟。模拟巷道为直墙半圆拱形，巷道净宽4.8 m，壁高1.85 m，拱净高1.8 m，模型范围为320 m×200 m×162 m（长×宽×高），采用六面体单元，共划分26580个单元，数值模拟模型如图2所示。计算时本构模型选用摩尔—库伦模型，模型左右边界约束x方向位移，前后边界约束y方向位移，下部边界为全约束边界，上部边界不约束。

图2　数值模拟模型

模拟结果表明，受断层与邻近工作面采空区影响巷道应力分布呈现明显非对称性，两帮应力值大于顶板，断层侧巷帮应力变化梯度明显大于采空区侧，围岩更容易达到屈服极限发生变形破坏，应进行加强支护。

通过改变工作面侧压系数λ，模拟不同水平构造应力下的巷道围岩塑性区特征，发现当λ值由0.5到1.5逐渐增大时，断层侧巷帮应力集中程度、顶板拉应力区范围、围岩变形程度均大于采空区侧，塑性区范围由两帮逐渐扩展到顶板，剪应力向顶底板肩角、地角转移。巷道断层侧肩角为拉应力与剪应力叠加区，极易发生拉剪混合破坏，为支护设计部位。

4.2支护方案设计

针对707工作面回风巷围岩应力分布特征，基于构造区巷道围岩控制策略，采用数值模拟与现场试验等方法，综合确定采用高强高预应力锚杆、非均称支护、让均压支护方案。

（1）锚杆支护参数设计。采用摩尔库仑安全系数法确定巷道围岩的破坏范围，结合现场钻孔窥视与数值模拟分析结果，为使锚杆锚固在稳定的岩层中，避开拉应力区同时减少离层，确定两帮和顶板锚杆长度分别为2400 m和2600 mm，设计预紧力大于60 k N，通过现场拉拔试验确定安装力矩为250 N·m，采用1支K2360和1支Z2360锚固剂全长锚固。

（2）顶板支护。巷道顶板采用9根高强度让压锚杆，规格为ø20 mm×L2600 mm，间排距750 mm×750 mm。靠近断层侧肩角处3根锚杆采用双让压管（让压点160 k N），当锚杆受力大小在让压点附近时让压管可稳定变形并提供恒定阻力，以缓解局部应力集中与剧烈变形，实现支护结构与围岩耦合变形，其余锚杆采用同种规格单让压管。

顶板布置3根规格为ø17.8 mm×L7000mm让压锚索，间排距1500 mm×1500 mm，锚杆锚索间隔布置。断层侧肩角为巷道支护关键部位，每两排锚索间增加一根补强锚索，锚索规格ø17.8 mm×L5000 mm。为适应围岩大变形，采用双让压管（让压点250 k N）。设计预紧力大于200 k N，采用1支K2360和2支Z2360锚固剂锚固。

（3）两帮支护。巷道两帮分别布置3根规格为ø20mm×L2400 mm锚杆，间排距750 mm× 750 mm，两帮底角锚杆分别与水平呈15°布置，断层侧帮锚杆采用单让压管（让压点160 k N），实体煤侧锚杆无让压管。

（4）表面支护。合理的表面支护可以保证锚杆有可靠的外部着力点，有利于锚杆预应力的扩散。采用金属网配合规格280 mm×450 mm× 3.75 mm W型钢带护板，及时全断面注浆封闭，锚杆配套150 mm×150 mm×10 mm弧形托盘，锚索配套300 mm×300 mm×12 mm托盘。巷道支护设计如图3所示。

图3　巷道支护参数设计

5　工程试验

巷道支护改革过程中，对锚杆受力和巷道围岩变形进行了观测。在新支护方案试验巷道距离开始点50 m和100 m处分别设1#、2#测点。锚杆受力变化监测结果见图4。

图4　锚杆受力变化曲线

40 d内左帮锚杆受力稳定在158 k N，顶板锚杆受力稳定在137 k N，右帮锚杆稳定在112 k N。断层侧锚杆受力依然大于采空区侧，但已在可控制范围以内。现场观测发现顶板及断层侧让压管变形较多，巷道非对称变形和破坏得到有效控制，巷道支护关键部位强度得到改善，支护方案取得了预期的效果。

围岩变形观测1#、2#测点分别设在新支护方案试验巷道距巷道起点60 m、120 m处，巷道围岩变形量监测结果见图5。120 d内巷道顶底板最大移近量138 mm，两帮最大移近量98 mm，均在可接受范围以内，支护设计是合理有效的。

图5　巷道围岩变形量曲线

6　结论

（1）通过工程地质分析与数值模拟得到707工作面回风巷变形破坏的主要原因是非对称应力场、关键部位的拉剪混合破坏、应力集中。

（2）采用高强高预应力锚网索支护，主动及时控制关键部位早期变形，避免由局部失稳发展到巷道整体失稳。采用非均称支护设计，对关键部位加强支护，并进行让均压设计，允许应力集中部位适度延伸并释放变形能量，同时均衡载荷，有效控制构造区巷道非对称变形与应力集中。

（3）工程实践表明采用让均压锚网索非均称支护设计后，巷道变形破坏得到有效控制，构造区巷道实现了稳定支护。

［1］ 林惠立，石永奎.深部构造复杂区大断面硐室群围岩稳定性模拟分析［J］.煤炭学报，2011（10）

［2］ 王子越，孙为顺，汤梁.受高水平构造应力影响的软岩巷道支护技术研究［J］.中国煤炭，2015（12）

［3］ 樊克恭，蒋金泉.弱结构巷道围岩变形破坏与非均称控制机理［J］.中国矿业大学学报，2007（1）

［4］ 樊克恭，翟德元.岩性弱结构巷道破坏失稳分析［J］.矿山压力与顶板管理，2003（4）

［5］ 赵斌，王亚夫，陈东印.构造区域巷道耦合让均压支护技术研究［J］.煤炭科学技术，2013（8）

［6］ 王襄禹，柏建彪，李磊等.近断层采动巷道变形破坏机制与控制技术研究 ［J］.采矿与安全工程学报，2014（5）

［7］ 董方庭.巷道围岩松动圈支护理论及其应用技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2001

［8］ 王旭宏，王玉怀，夏欢阁等.复杂条件下回采巷道锚网索支护参数优化研究［J］.中国煤炭，2010（3）

［9］ 康红普，姜铁明，高富强.预应力在锚杆支护中的作用［J］.煤炭学报，2007（7）

［10］ 王金华.全煤巷道锚杆锚索联合支护机理与效果分析［J］.煤炭学报，2012（1）

［11］ 刘长武，郭永峰.锚网（索）支护煤巷顶板离层临界值分析［J］.岩石力学，2003（10）

（责任编辑 张毅玲）

Test of inhomogeneous support technology with yield equal pressure anchor-mesh-cable in roadway in complicated tectonic area

Lian Chuanjie1，Feng Chuanchuan2，Gao Guanlin3
（1.College of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science&Technology，Tai＇an，Shandong 271019，China；2.College of Mining and Safety Engineering，Shandong University of Science&Technology，Qingdao，Shandong 266590，China；3.Tai＇an Taishuo Strata Control Technology Co.，Ltd.，Tai＇an，Shandong 271200，China）

Aiming at surrounding rock asymmetric deformation failure and supporting structure failure in roadways of 707 working face in complicated tectonic area in Baojishan Coal Mine，theoretical analysis and numerical simulation on failure mechanism were carried out.The results showed that asymmetric stress field，tensile-shearing combined failure in key parts of roadway and stress concentration were main causes，then according to the results，inhomogeneous support technology with yield equal pressure anchor-mesh-cable was put forward.Field practice indicated that the deformation and asymmetry of roadway could be controlled effectively by using the high strength and high pre-stressed anchor，the inhomogeneous support and the yield equal pressure supporting scheme，the distance between roof and floor decreased 138 mm within 120 days，and the distance between roadway walls was 98 mm，stability of surrounding rock improved remarkably.

complicated tectonic area，working face roadway，roadway support，inharmonious support technology，yield equal pressure supporting system，numerical simulation

TD353

A

连传杰（1962-），男，山东荣成人，教授，主要从事井巷支护技术与特殊开采技术研究。