厚煤层沿空掘巷围岩稳定控制研究[论文]

厚煤层沿空掘巷围岩稳定控制研究
【摘要】地下开采中围岩的稳定性是与围岩本身的完整性和强度相关的，也受外部的应力状态的影响，就影响巷道围岩稳定性影响因素而言，主要有围岩赋存环境、开挖扰动和开挖支护。

本文综合研究了厚煤层沿空掘巷围岩稳定控制的理论分析、控制机理、施工要求，最后做了总结，有较高的实用价值。

【关键词】深部巷道厚煤层沿空掘巷围岩稳定控制
1 厚煤层巷道围岩稳定理论分析
未经采动的岩体，在巷道开掘以前通常处于弹性变形状态，岩体的原始铅直应力等于上部覆盖岩层的重量。

巷道开掘后原岩应力重新分布，一般将巷道两侧改变后的切向应力增高部分称为支承压力。

随着应力重新分布，巷道围岩内出现应力集中，通常巷道两侧的应力集中系数为2～3。

此时巷道周边围岩将承受的铅直压应力。

由于处于周边的岩块侧向应力为零，为单向压缩状态。

随着远离巷道表面，岩块逐渐变为三向应力状态。

岩体力学性质对巷道围岩稳定性影响是均称的，随围岩自身强度的增加，巷道周边各处稳定性越来越好；外界施加的围岩压力对巷道围岩稳定性影响也是均称的，随压力的增加，巷道周边各处稳定性越来越差，解释了随开采深度的增加，巷道维护越来越困难；构造应力对巷道围岩稳定性影响是非均称的，水平应力主要影响巷道顶底板稳定性，垂直应力主要影响巷道两帮稳定性。

2 围岩稳定控制机理
围岩内存在各种节理、层理、裂隙等不连续面，这些结构面的分布与强度对岩体的整体强度影响很大，岩体在外力作用下破坏时，首先是结构面的破坏，进而造成整体强度的降低，但结构面的强度一般较低，成为岩体中的薄弱环节，深部开采时，在高构造应力作用下，这一薄弱环节会被放大，极易发生剪切破坏。

锚杆支护能有效地提高结构面的抗剪强度，具体作用示意图如图1所示。

围压越大，岩石强度越高，在围岩破坏前，围压的增长对于岩石强度的增加并不明显，但围岩破坏后，岩石的残余强度对围压比较敏感，较小围压的增长亦能有效地提高围岩的残余强度，改善被锚固岩体的力学性能，从而有利于保持巷道围岩的稳定。

让压锚杆的作用主要有以下几个方面：
（1）使锚固岩体在恒阻条件下变形，以减少有害变形给支护带来的附加压力，释放掉一部分岩石的破坏能量。

（2）防止锚杆破断，保证锚杆支护系统在整个支护期间不失效。

（3）能更好地控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而更有利于保持巷道的稳定。

3 锚杆支护参数的动态系统设计
采用动态系统设计方法确定锚杆支护参数。

动态系统设计方法包括4个基本部分：
（1）巷道围岩状况调查和地质力学评估。

主要包括巷道用处和环境影响调查，巷道围岩强度测试，地应力测试，地质构造和围岩结构勘探，锚固体锚固性能测试等。

（2）数值计算模型建立。

以巷道围岩状况调查和地质力学评估为基础，建立数值计算模型，模型两侧限定水平位移，下边界限定垂直位移，上边界施加应力，以模型上覆岩层自重。

（3）研究不同预紧力、锚杆直径、锚杆长度、锚杆间排距下围岩控制效果，确定最优支护参数。

锚索支护参数采用理论分析方法确定。

（4）形成初始设计，并用于指导工业试验，根据监测结果修改、完善初始设计。

4 施工要求
（1）巷道开挖后，先打顶板锚杆，后打帮锚杆，锚索支护滞后迎头3～5m。

（2）锚杆孔深少于锚杆长度50mm，s1202瓦排巷顶板和两帮锚杆长度均为2400mm，锚杆孔深要严格控制在2350～2400mm之间。

（3）严格执行“三贴”原则，做到金属网贴紧煤壁，钢筋梯子梁贴紧金属网，托盘贴紧钢筋梯子梁。

（4）施工中严格控制巷道高度，如果出现超高超宽300mm时，应补打锚杆，超高严重时，以两帮肩角锚杆距顶板200mm为准，巷道底角加铺金属网，保证两帮底角锚杆离底板控制在400mm范围内。

5 结语
本文采用理论分析、数值模拟的方法，对“两进两回”通风方式下沿空掘巷围岩控制机理与技术进行了深入研究，主要得出以下结论：
（1）在分析了巷道围岩结构和动压影响过程后认为：巷道受动压影响时，巷道围岩产生了局部的应力集中，导致了围岩沿着弱结构面破坏，产生较大的剪胀变形，围岩破坏后增大了破碎区和塑性区的宽度，同时也产生了大量的再生裂隙，使巷道围岩环境进一步恶化。

（2）研究了高强度锚杆支护的作用机理：锚杆提供的节理切向抗力与锚杆拉伸屈服力成正比，锚杆的破断载荷越大，锚杆提供的节理切向抗力越大，高强度锚杆支护能有效的减小采动应力作用下顶底板围岩剪切破坏。

（3）研究了高预应力锚杆作用力学机制：锚杆预紧力导致的岩体横向挤压作用力的存在，是巷道围岩中锚固结构形成的必要条件。

并通过力学推导出单个、多个锚杆作用下，横向挤压力与锚杆水平距离的关系式。

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