第２０卷第５期（总第１２６期） ２０１５年１０月 煤矿 开采 Ｖｏ１．２０Ｎｏ．５（Ｓｅｒｉｅｓ Ｎｏ．１２６） ０ｃｔｏｂｅｒ ２０１５ Ｃ０ＡＬ ＭＩＮＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 采动剧烈影响软弱围岩巷道失稳机理及支护 何富连，王宁博，魏臻，卫文彬，许华威 （中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京１０００８３） ［摘要］ 针对新元煤矿受采动剧烈影响、软弱破碎围岩区段平巷的支护难题，从加固软弱破 碎围岩，加强薄弱部位控制，降低采动剧烈影响时塑性区范围及其外移速率等入手，分析了其支护机 理，提出了小孔径高预应力短锚索配合桁架锚索支护技术，并成功用于工业性实践，取得较好效果。 ［关键词］ 剧烈采动；软弱围岩；预应力锚索；桁架锚索 ［中图分类号］ＴＤ３５３ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００６—６２２５（２０１５）０５—００４３—０３ Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｏｆ Ｓｏｆｔ－ｒｏｃｋ Ｒｏａｄｗａｙ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ Ｓｔｒｏｎｇ Ｍｉｎｉｎｇ ＨＥ Ｆｕ．１ｉａｎ，ＷＡＮＧ Ｎｉｎｇ—ｂｏ．ＷＥＩ Ｚｈｅｎ，Ｗ ＥＩ Ｗｅｎ－ｂｉｎ，ＸＵ Ｈｕａ—ｗｅｉ （Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ＆Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｄｉｆｉｃｕｌｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｓｏｆｔ－ｒｏｃｋ ｒｏａｄｗａｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｓｔｒｏｎｇ ｍｉｎｉｎｇ ｉｎ Ｘｉｎｙｕａｎ Ｃｏｌｌｉｅｒｙ，ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｍａｌｌ・・ｂｏｒｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ－・ｐｒｅ－－ｓｔｒｅｓｓ ｓｈｏｒｔ ａｎｃｈｏｒｅｄ ｃａｂｌｅ ｗｉｔｈ ｔｒｕｓｓ ｃａｂｌｅ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｒｏｍ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｓｏｆｔ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｗｅａｋ ｐａｒｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｚｏｎｅ ｉｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｓｔｒｏｎｇ ｍｉｎｉｎｇ．Ｆｉｅｌｆｎｄ ｔｅｓｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｄ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｏｎｇ ｍｉｎｉｎｇ；ｓｏｆｔ ｒｏｃｋ；ｐｒｅ－ｓｔｒｅｓｓ ａｎｃｈｏｒｅｄ ｃａｂｌｅ；ｔｒｕｓｓ ｃａｂｌｅ 近年来，随着煤矿开采深度、强度的日益增 加，以及开采条件的日趋复杂，受动压剧烈影响的 回采巷道数量呈现明显上升趋势，尤其对软弱破碎 围岩巷道而言，由于巷道围岩力学性质的恶化，构 造应力与次生应力显著地增加，导致此类巷道的围 岩控制一直是煤矿支护的技术难题。目前，国内外 许多学者对此类巷道的支护开展了一系列的研究工 作【１－５］，但对于阳泉、西山、霍州等部分矿区采用 度２．３８ｍ，其上为均厚３．５ｍ复合泥岩顶板（高岭 土与泥岩复合），直接底为均厚１．９６ｍ砂质泥岩， 其下为厚１．２ｍ粉砂岩。所研究的３１０１０４运输平 巷（即３１０１０３轨道平巷）为可二次复用的巷道。 巷道布置见图１。 亡二＝二］［二二二二二二＝＝二二 的大断面、软弱破碎围岩且受二次或多次采动剧烈 影响等复杂条件下回采巷道研究较少。如阳泉煤业 ◆３ｌ０１０３工作面 ３１０１０３瓦斯抽采巷 ３１０１０３进风平巷 ／ ［二］［＝＝］ ［二二二二＝二＝＝］ ： ３１０１０３轨道平巷（３１０１０４．￣输平巷） 新元煤矿３１０１０２轨道平巷作为可二次复用的软弱 破碎围岩巷道，在回采时受动压剧烈影响，曾发生 大面积的冒顶和片帮，围岩变形破坏严重。其他类 似巷道在服务过程中也一直处于反复维修的状态， 导致矿井综采面衔接紧张，严重影响了整个矿井的 正常生产。 斡３１０１０４＂Ｅ作面 ： ：３ｌ０ｌ０４进风平巷 ：：：：：：：： ：：：：： ：： ：： ：：：：＝：：：： ：：＝： ：：：＾、 ｊ；：：：：：：＝＝ ：：：：： ｝：： ： ： ：：：：： ：：： ＿＿－－－．－￥ ：： ：：：：： ： ：： ： ：：：： ：ｉ 图１ 采区巷道布置 本文就新元煤矿软弱破碎围岩巷道在回采过程 中围岩变形破坏原因进行了分析，针对性地提出 巷道沿顶板掘进，设计断面为矩形，宽４．５ｍ， 高２．８ｍ，断面面积１２．６ｍ 。３１０１０４工作面运输平 巷、瓦斯抽采巷、进风平巷之间煤柱均为２２ｍ。 ２巷道变形破坏特征及原因 “高预应力强力锚索配合桁架锚索”支护方案，并 阐述了其控制原理。 １工程地质概况 ２．１巷道变形破坏特征 ３１０１０４区段运输平巷作为可二次复用的巷道， ［ＤＯＩ］１０．１３５３２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎｌ１－３６７７／ｔｄ．２０１５．０５．０１２ 新元煤矿主采３号煤层，埋深５６０ｍ，平均厚 ［收稿日期］２０１５—０３－２７ ［基金项目】国家自然科学基金资助项目（５１２３４００５）；高校基本科研业务费专项资金资助（２０１０ＹＺ０２） ［作者简介］何富连（１９６６－），男，浙江临海人，教授，博士生导师，研究方向为采矿工程和安全技术。通讯作者：王宁博（１９８９一） 男，河南周口人，硕士研究生。 ［引用格式］何富连，王宁博，魏臻，等．采动剧烈影响软弱围岩巷道失稳机理及支护［Ｊ］．煤矿开采，２０１５，２０（５）：４３－４５，１４． ４３ 总第１２６期 煤 矿 开 采 ２０１５年第５期 需经历掘进影响期、掘进影响稳定期、一次采动影 响期、一次采动影响稳定期、二次采动影响期。根 据井下实测资料可知，巷道围岩变形根据所处时期 不同，具有明显的阶段性。 （１）小变形阶段掘巷影响期及掘巷影响稳 定期巷道变形并不明显，采动影响前，巷道在原有 的支护条件下能保持长期稳定。 （２）变形破坏阶段巷道受一次采动影响时， 自工作面前方７０ｍ左右巷道变形开始增加，且随 着与工作面距离的减小而愈来愈剧烈，如３１０２０３ 工作面推进２００ｍ时，回采面前后５０—１５０ｍ范围 内巷道出现大面积底鼓，工作面在推进过程中巷道 顶板开始出现严重的离层下沉和恶性冒顶，支护系 统部分损坏，其中巷道两帮上角多为破坏的首发区 域；采动影响稳定后，巷道也一直以较大的速度变 形，如工作面后方１５０～３００ｍ处，顶板出现锚杆 （索）被拉断，钢带被剪断，顶板极度变形。 （３）破坏损毁阶段当本区段工作面回采时， ３１０１０４运输平巷作为二次复用巷道，受二次超前 采动支承压力的剧烈影响，巷帮出现向巷道内整体 大内移、垮帮或严重鼓帮，帮整体位移量达１～ ２ｍ；顶板出现整体切顶和恶性冒落，冒顶高度甚 至达１０ｍ以上，支护系统大范围损毁，巷道全断 面被阻塞和不能通风行人。 ２．２巷道变形破坏原因分析 回采巷道失稳主要是由构造或开挖引起的应力 集中超过围岩强度或围岩变形过大而致 Ｊ，且失 稳过程中围岩的变形及破坏是一个由表及里渐进性 相关过程，其相关程度首先取决于巷道围岩性质、 应力的分布及变化，其次，决定于支护结构的适应 性。 ２．２．１ 围岩性质 顶板为多层泥岩组成的复合顶板，厚度大 （３．５ｍ）、强度低、自稳能力差且具有一定的膨胀 性。两帮为含软弱夹层煤体，内生裂隙发育。底板 为灰黑色砂质泥岩，软岩特征明显。 ２．２．２围岩应力 图２为３１０１０３工作面回采过程中，距巷帮不 同距离测点煤柱侧向支承压力动态分布曲线。根据 应力的实际测量分析发现，巷道的变形发展与采动 所引起的高支承压力具有良好的相关性。 采动影响前，巷道一直处于稳定状态，且维护 状况良好，此时实际测定的巷道原岩应力并不大， 约为１３．５ＭＰａ；受采动影响，超前支承压力逐渐增 大，在工作面前方１５ｍ处，煤柱支承压力峰值达 ４４ 图２煤柱侧向支承压力分布 到极值６１．５ＭＰａ，应力集中系数达４．５６，超前支 承压力远大于围岩单向抗压强度及锚杆围岩内承载 结构的承载能力，巷道围岩应力处于快速向深部调 整状态，围岩随着应力的调整收敛速度加快； ３１０１０４工作面推进过程中，巷道受二次动压影响， 应力影响空间范围更广且高支承压力的影响更剧 烈。 ２．２．３支护方式 原支护方式采用普通单体锚杆、锚网支护，支 护系统的不适应性主要体现在：原锚杆长度为 ２０００ｍｍ，顶锚杆锚固在厚层泥岩中，帮锚杆锚固 于围岩塑性区中，均没有可靠的着力基础，支护理 论中假设的成拱机制难以实现；所采用的圆钢锚杆 预应力不足３０ｋＮ，锚杆对浅部围岩提供的围压小， 加之圆钢锚杆自身强度较低，抗剪能力弱，浅部围 岩并没有形成稳固的内承载结构；现有锚杆（索） 布置对巷道两帮角控制薄弱，两帮角成为支护失效 的首发和多发部位。 ３ 围岩控制原理及方案 ３．１围岩稳定控制原理 对锚杆（索）支护而言，巷道控制的对象是 周边软弱破碎围岩，其支护理论中对围岩的控制建 立在巷道外部围岩是稳定的假设基础之上。而软弱 破碎围岩巷道开挖后在较短时间内形成了较大范围 的塑性区和破坏区，锚杆锚固于围岩极限平衡区 内，巷道外部围岩是处于动态演化中的Ｈ Ｊ，当其 受剧烈动压影响，集中应力迅速外移，塑性区范围 及围岩表面位移扩大，当位移量超过允许值时巷道 则发生失稳。因此，如何通过合理的支护手段控制 采动引起的高应力外移及塑性区的无限扩大是保证 巷道稳定的关键。 基于所分析巷道变形破坏原因及动压巷道围岩 控制原理，对于新元煤矿受动压剧烈影响的软弱围 总第１２６期 煤矿 开 采 ２０１５年第５期 ［４］张建强，张全录，汤跃超，等．高压输电线塔基煤矿采空区 ５结论 的高密度电阻率法探查研究［Ｊ］．地球物理学进展，２００４， １９（３）：６８４—６８９． （１）对于浅层老采空区，采用物探＋钻探＋彩 色钻孔电视观测的综合勘察技术，可以查明采空区 ［５］张彬，牟义，张永超，等．三维高密度电阻率成像探测 技术在煤矿采空区勘查中的应用［Ｊ］．煤矿安全，２０１１，４２ （６）：１０４—１０７． 的平面分布，查清老采空区及其上覆岩层的空洞与 裂缝发育情况，为浅层老采空区的评估与治理提供 ［６］陈钢，许维进，梁京华，等．浅层地震采空区探测计算机 基础资料与依据。 （２）高密度电法在浅层老采空区的勘察中， 仿真正演［Ｊ］．煤炭学报，１９９６，２１（１）：１８—２３． ［７］孙洪星，康永华，耿德庸，等．煤层采空区浅层地震法探测 效果［Ｊ］．工程勘察，１９９８（４）：６６－６８． ［８］孙林．高密度电阻率法与浅层地震在探测煤田采空区中的 伟，等．强电磁干扰区灾害性采空区 应用［Ｊ］．物探与化探，２０１２，３６（Ｓ）：８８—９１． ［９］程久龙，潘冬明，李２２７—２３１． 在接地条件好的区域，可以取得准确度较高的成 果，可以作为查明老采空区平面分布的主要勘察手 段。 （３）彩色钻孔电视观测成果直观、准确、精 探地雷达精细探测研究［Ｊ］．煤炭学报，２０１０，３５（２）： 度高，是勘察老采空区及其上覆岩层空洞与裂缝发 育情况的一种好方法。 ［参考文献］ ［１］肖敏，陈昌彦，白朝旭，等．北京地区浅层采空区高密度 ［１Ｏ］邱钰，童立元，方磊．地质雷达在华南山区高速公路下 伏典型小煤窑采空区探测中的应用研究［Ｊ］．公路交通科 技，２０１２，９０（６）：１１５—１１７． ［１１］李永铭，潘冬明，陈［１２］许锡昌，陈卫东，刘涛，等．地质雷达在露天煤矿采空区 伟．地质雷达和高密度电法在废弃矿 探测中的应用［Ｊ］．能源技术与管理，２０１０（２）：１３—１５． 井探测中的应用［Ｊ］．岩土力学，２００２，２３（ｓ）： １２６－１３２． 电法探测应用分析［Ｊ］．工程地球物理学报，２０１４，ｌ１ （１）：２９—３５． ［２］张腾，万雪林，童婷婷，等．高密度电法探测老窑采空区 ［１３］朱［１４］赵超．钻探一物探方法在浅层采空区探查中应用［Ｊ］．中 敏，甘志超．小线框瞬变电磁法在探测煤矿充水巷道中 ［责任编辑：施红霞］ 试验研究［Ｊ］．北京工业职业技术学院学报，２０１０，９（２）： １１—１６． 国科技信息，２０１２（１７）：５７． 的应用［Ｊ］．煤矿开采，２０１２，１７（６）：２１—２２． ［３］辛思华，宋仁成，杨建军，等．高密度电法在煤矿采空区勘 查中的应用［Ｊ］．中国煤炭地质，２００８，２０（１）：５９—６１． （上接４５页） 沉量不超过３００ｍｍ。测站３在开掘３５ｄ后趋于稳 定；６５ｄ后，由于受３１０１０３回采工作面采动的影 响，收敛速度增加，直至１２０ｄ后重新趋于稳定， 两帮移近量不超过５００ｍｍ，顶板下沉量不超过 ［１］高谦，刘福军，赵［参考文献］ 静．一次动压煤矿巷道预应力锚索支 护设计与参数优化［Ｊ］．岩土力学，２００５，２６（２）：８５９—８６５． ［２］李学华，杨宏敏，刘汉喜，等．动压软岩巷道锚注加固机理 与应用研究［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２００６，２３（２）： １５９—１６４． ３２０ｍｍ。试验段在经受采动过程中均保持稳定。 ５结论 ［３］王宏伟，姜耀东，赵毅鑫，等．软弱破碎围岩高强高预紧力 支护技术与应用［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２０１２，２９ （１）动压软弱围岩巷道变形破坏具有明显的 （４）：４７４—４８１． 阶段性。引起围岩阶段性变形的相关因素主要有围 ［４］王卫军，彭［５］许兴亮，张刚，黄俊．高应力极软破碎岩层巷道高强度 岩岩性、应力分布及支护方式等。其中围岩岩性是 内因，采动引起的超前集中支承压力是关键因素， 支护系统的不适应是重要外因。 （２）对于受多次动压剧烈影响软弱围岩巷道 耦合支护技术研究［Ｊ］．煤炭学报，２０１１，３６（２）：２２３—２２９． 农，徐基根，等．高地应力破碎软岩巷道过程 控制原理与实践［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２００７，２４ （１）：５１—５６． ［６］张志康，王连国，单仁亮，等．深部动压巷道高阻让压支护 技术研究［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２０１２，２９（１）：３３—３８． ［７］康红普，王金华，林［８］何富连，殷东平，严健．高预应力强力支护系统及其在深 红，等．采动垮冒型顶板煤巷强力锚 部巷道中的应用［Ｊ］．煤炭学报，２００７，２３（１２）：１２３３—１２３． 索桁架支护系统试验［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１１，３９（２）： １－６． 的控制应从加固软弱破碎围岩，加强薄弱部位控 制，降低采动剧烈影响时塑性区范围及其外移速率 等方面人手选取合理的支护形式。 （３）高预应力短锚索配合强力桁架锚索支护 系统能有效控制受动压剧烈影响的软弱围岩巷道的 围岩变形，为此类巷道的围岩控制提供了借鉴。 １４ ［责任编辑：王兴库］
