閆春來 秦 鵬

（山東省兗州市大統(tǒng)礦業(yè)有限公司，山東 兗州 273100）

1 概述

星村煤礦所采3 煤經(jīng)鑒定為強沖擊性，煤巷掘進過程中尤其七采區(qū)多次出現(xiàn)支護失效問題。七采區(qū)煤巷掘進是一個典型的大埋深、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜條件下的高應(yīng)力區(qū)域，埋深超過1100 m，水平應(yīng)力大，附近沒有已掘巷道作為參考，巷道四周斷層較多、落差較大，掘進過程中壓力顯現(xiàn)完全不同于其他采區(qū)的巷道。

三采區(qū)的煤巷掘進過程中應(yīng)力大小可通過鉆屑法、卸壓大孔、現(xiàn)場震動情況顯現(xiàn)出來，未出現(xiàn)過支護集中破壞的情況。然而七采區(qū)煤巷施工時，鉆屑法施工正常，未出現(xiàn)夾鉆吸鉆現(xiàn)象；預(yù)防性卸壓大孔施工過程中震動也較少，未出現(xiàn)夾鉆吸鉆現(xiàn)象；掘進割煤及支護過程中震動較少，且震動能量也較小，但是巷道頂板所承受的靜壓較大，巷道已掘進支護地點多次出現(xiàn)錨索斷裂現(xiàn)象，支護問題的失效現(xiàn)象嚴(yán)重威脅了巷道支護及施工人員安全。

2 支護體系破壞分析

2.1 錨索斷裂分析

七采區(qū)其中一條煤巷失效錨索統(tǒng)計結(jié)果：正拱頂錨索破斷16 根，其中斷錨索13 根，破斷位置距孔口2.0 m 左右；脫索、鎖片丟失的3 根； 錨索破斷基本處于迎頭20 m范圍內(nèi)；恒阻錨索裝置口破斷。錨索破斷位置多位于孔口2.0 m 左右，多數(shù)動壓下發(fā)生張剪破斷。

從錨索斷裂的位置、距迎頭的距離以及中間錨索破斷的情況可以推斷，巷道開挖后頂煤在高水平應(yīng)力作用下所發(fā)生的水平移動量較大，錨桿/錨索提供的約束效應(yīng)不能有效控制頂煤的壓剪破壞，反而因頂煤的壓剪破壞造成支護體的破壞，給安全帶來隱患。

從錨索斷口分析，19 股鋼絞線都是在同一位置斷裂，斷口較齊，錨索為受橫向剪切應(yīng)力造成的斷裂。

而其他區(qū)域巷道錨索斷裂明顯不同，鋼絞線斷裂位置不同，且鋼絞線斷裂處有直徑縮小的現(xiàn)象，是受縱向拉力作用造成的斷裂。

2.2 巷道頂板窺孔觀測

對七采區(qū)煤巷進行頂板窺視觀測，根據(jù)現(xiàn)場兩處鉆孔的窺視儀觀察結(jié)果，發(fā)現(xiàn)頂煤破碎、離層比較嚴(yán)重?？咨?.8～2.5 m 處，頂煤非常破碎，有較大裂隙，煤體整體性膨脹碎裂；孔深4 m（泥巖弱面）處，存在與鉆孔垂直的環(huán)形離層裂隙；孔深6.0～8.4 m 處，均有不同程度平行鉆孔方向的裂隙，圍巖受水平擠壓破碎。

錨桿支護范圍煤巖體整體性碎裂，煤巖接觸面軟弱泥巖產(chǎn)生離層，下部煤體發(fā)生整體性下沉。錨索錨固段圍巖出現(xiàn)平行鉆孔方向的裂縫，發(fā)生一定程度的破碎，對錨索端錨的可靠性產(chǎn)生較大影響。

2.3 地應(yīng)力測試

七采區(qū)地應(yīng)力測量報告結(jié)果：

最大主應(yīng)力為68.46～68.56 MPa，其方位角為156.87°，傾角為8.37°～10.26°，為最大水平應(yīng)力。

中間主應(yīng)力為49.63～54.69 MPa，平均為52.16 MPa，為水平應(yīng)力，方位角為65.57°，與最大水平應(yīng)力相差91.3°，接近垂直。

最小主應(yīng)力為34.92～35.23 MPa，平均為35.01 MPa。傾角為-73.73°～77.44°，可認(rèn)為垂直應(yīng)力。該巷道的平均埋藏深度為1220 m，按理論計算垂直應(yīng)力（γH）為30.5 MPa。實測的垂直應(yīng)力大于理論計算的垂直應(yīng)力。

式中：σH為最大水平應(yīng)力，MPa；σI為構(gòu)造應(yīng)力，MPa；μ為泊松比，實測值為0.255；σV為垂直應(yīng)力，MPa；

按上式計算的構(gòu)造應(yīng)力58.01 MPa，實測結(jié)果和計算得出以下結(jié)論：

（1）該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力為58.01 MPa，整個區(qū)域以構(gòu)造應(yīng)力為主，屬于構(gòu)造異常區(qū)域；

（2）最大水平主應(yīng)力方向與軌道巷夾角61.39°～65.40°，呈大角度斜交，位置中間的主應(yīng)力呈現(xiàn)水平方向。巷道掘進過程中，垂向應(yīng)力因巷道施工后急劇降低，水平主應(yīng)力導(dǎo)致頂板出現(xiàn)破壞以及底鼓現(xiàn)象，水平應(yīng)力主要作用于頂?shù)装?，垂直?yīng)力主要作用于兩幫。

七采區(qū)煤巷沿3 煤底板掘進，巷道頂板為3 煤，f=2，強度低，巷道開挖后，引起應(yīng)力集中，頂煤在水平應(yīng)力的作用下發(fā)生壓剪破壞，這種破壞在掘進工作面前方就已經(jīng)發(fā)生，掘進過程出現(xiàn)的煤炮就是應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移、圍巖發(fā)生破壞的現(xiàn)象。近5 m 厚的頂煤在高水平應(yīng)力作用下必然發(fā)生由淺到深的破壞，錨桿/錨索不僅受到拉應(yīng)力同時也受到剪應(yīng)力作用，使錨索發(fā)生剪切破斷。

3 支護優(yōu)化

3.1 全長錨固支護技術(shù)

在深井煤巷中，頂煤受到高水平應(yīng)力的作用，在掘進前或開挖過程中就已發(fā)生了破壞，屬于高應(yīng)力軟巖，控制軟弱巖層最有效的措施是錨桿/錨索采用全長錨固。

高強全錨支護技術(shù)其作用都是對圍巖提供雙向約束（軸向及徑向）。軸向約束通過錨索的軸向力經(jīng)由托盤、網(wǎng)、鋼帶（鋼筋梯）以及索體與孔壁間的粘結(jié)傳遞給巖（煤）體，將圍巖受力狀態(tài)變換為雙向、三向受力狀態(tài)（原始受力狀態(tài)為單向及雙向），有效地提高了圍巖的強度。徑向約束表現(xiàn)為兩個方面，其一是因軸向約束而增加的層面或裂隙面上的摩擦；其二是索體及錨固劑所直接提供的抗剪阻力。這兩種約束效應(yīng)是錨索產(chǎn)生支護作用的基礎(chǔ)。全錨支護技術(shù)就是提高錨索的軸向約束和橫向約束效果。

全長錨固可大大降低巷道圍巖的變形和頂板軟化高度。頂煤在水平應(yīng)力作用下，因為缺乏有效的垂直層理方向的約束，造成頂板離層破壞，破壞的巖層承受水平應(yīng)力的能力明顯降低，導(dǎo)致水平應(yīng)力進一步向圍巖深部轉(zhuǎn)移，在深部形成新的破壞區(qū)。這個過程直到遇到強度高的巖石，或者被支護系統(tǒng)所阻止為止。上部頂煤的破壞，又對下部巖層產(chǎn)生膨脹載荷，造成下部巖層的下沉。采用高強全長錨固系統(tǒng)，則使錨固區(qū)內(nèi)的頂板都受到約束，保證頂板巖層的整體穩(wěn)定，遏制水平應(yīng)力向上發(fā)展、限制離層破壞現(xiàn)象的發(fā)生，降低頂板軟化的高度。

全長錨固使錨索具有很高的抗剪強度。針對巖層沿層面或沿與錨索斜交的裂隙的錯動，全錨錨索以兩種方式產(chǎn)生徑向約束：第一是直接通過索體和樹脂粘結(jié)的剪切強度提供抗剪阻力抑制錯動；第二是通過較大的軸向力增加層面正應(yīng)力，從而提高其摩擦阻力來抑制錯動。

3.2 頂板深孔卸壓爆破措施

對煤層頂板的原巖應(yīng)力進行擾動、分散，降低巷道淺表區(qū)域圍巖應(yīng)力，是保證應(yīng)力得到有效釋放的重要措施。巷道頂板支護優(yōu)化設(shè)計示意如圖1。

圖1 巷道頂板支護優(yōu)化設(shè)計示意圖（mm）

4 結(jié)論

（1）在千米埋深、高構(gòu)造應(yīng)力、高水平應(yīng)力、煤層區(qū)域掘進的巷道，尤其是巷道掘進方向與水平應(yīng)力方向呈一定夾角時，巷道頂板支護錨索頻繁出現(xiàn)斷裂的情況是受橫向剪切造成的斷裂，依照原有的支護設(shè)計理念單純增加錨索長度、支護密度，不能提高其抗剪強度，原支護體系不能滿足安全掘進。

（2）采用全長錨固后，輔助頂板深孔爆破卸壓措施，通過巷道變形觀測，巷道變形比支護升級前明顯減小，處于可控范圍內(nèi)。（前面能刪點吧，這一點不轉(zhuǎn)了）

（3）針對千米埋深、高構(gòu)造應(yīng)力、高水平應(yīng)力、煤層區(qū)域掘進的巷道，全長錨固、提高錨索預(yù)緊力、深孔卸壓爆破均是有效的、經(jīng)濟的、安全的措施，對于保證礦井安全生產(chǎn)，提高支護水平具有重要意義。