60-20-深部破碎岩层巷道支护技术研究-2016年第1期
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deformation of two of bearing rings，partial deformation energy of the second bearing ring was relaxed. Supporting rationality was valida-
a ted by numerical simulation. The results showed that the stress concentration of two sides and yield scope decreased sharply，roof sag 期 c and two sides convergence was controlled effectively. a Keywords： roadway with cracked strata in deep； bearing ring； numerical simulation
由于巷道围岩处于高应力状态，一次支护的支 护强度往往不足以控制围岩的破坏，因此巷道深部 围岩发生较大变形并进入塑性区，在本矿表现为围 岩破碎范围增大。在巷道变形相对稳定后，应当选
择合理的支护方式，对巷道进行二次支护。选用注
浆锚杆及锚索进行支护，注浆实现了在巷道破碎带
wenku.baidu.com
围岩形成一个整体性较好、足够强度的自撑承压
径，m； Ｒ0 为全长锚杆中性点半径，m； u0 为巷道 3. 2 合理支护后深部巷道变形破坏分析
一次支护前巷道表面位移量，m； u1 为巷道一次支
经过对未支护深部巷道应力分布、围岩破坏变
护后、二次支护前巷道表面位移量，m； u3 为采用 形进行多种方案的模拟、比较，选择如图 4 的方案
锚索支护后的巷道围岩变形量，m； Ec 为锚索的弹 性模量，MPa； Ac 为锚索断面面积，m2 ； Da ，Dl 分别
［摘 要］ 针对深部破碎岩层巷道支护困难的问题，探讨了深部围岩耦合支护机理： 二次承载
圈通过一次支护锚杆锚固端为一次承载圈提供力源； 一次承载圈对二次承载圈的变形进行约束，阻止
二次承载圈内围岩进一步破坏； 一次承载圈和二次承载圈的协调变形能够压实、强化一次承载圈，释
放二次承载圈的部分变形能。通过数值模拟对巷道支护合理性进行验证，结果表明： 巷道两帮应力集
巷道变形监测等手段可以对锚杆锚索长度、参数进
行合理选型。
图 4 深部巷道支护方案
巷道以锚网及表面喷浆的方式进行支护，提高
3 深部巷道支护模拟分析 采用 FLAC3D 软件，模型为弹塑性材料，依据
t 摩尔 － 库仑屈服准则对矿井 355 大巷进行了数值模 网 e 拟。模型 尺 寸 为 巷 道 轴 部 方 向 20m，水 平 方 向 刊 j.n 40m，高度方向 35m。
中现象明显降低、屈服范围大大减小，顶底板和两帮移近量得到了有效控制。
［关键词］ 深部破碎岩层巷道； 承载圈； 数值模拟
［中图分类号］ TD353 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-6225 （ 2016） 01-0056-03
Supporting Technology of Ｒoadway with Cracked Strata in Deep
仍需进一步研究深部破碎岩层巷道的支护。 本文分析了两次支护各自对围岩的力学作用，
探讨了双承载结构间力学作用关系，提出了深部破 碎围岩巷道支护方案。通过数值模拟对深部巷道围 岩应力分布、破坏变形规律进行研究，对支护的方 案进行验证。研究结果可为深部破碎岩层巷道支护 提供参考。
刘泉声采用分步联合支护，掘进工作面帮顶超前支 1 深部破碎岩层巷道支护存在的问题
42. 0 39. 3 38. 2 36. 4
1. 2 深部巷道支护存在的问题 深部巷道由于其埋藏较深，巷道围岩处于高应
力状态，很难通过目前的支护材料实现一次性支护 控制其围岩变形。可用如图 1 所示支护体 － 围岩共 同作用关系曲线解释。
触。在顶板和侧帮上部使用焊接网或金属网及大变 形锚 杆 进 行 支 护， 并 加 喷 混 凝 土 （ 厚 50mm 左 右） ，阻止破碎岩体垮落。其中，锚杆支护提高岩 块间的挤压力，增加了岩块间的啮合程度，提高围 岩破碎区域整体强度； 锚网及喷浆提高了巷道表面 的完整性，改变了围岩的受力状态。
实践表明，深部巷道围岩通常会在巷道周围产 生一定深度的 “破碎圈”。破碎的围岩导致支护施 工困难、支护效果较差。因此深部巷道应对此类巷 道进行研究，进而确定相应的支护控制技术。 1. 1 深部巷道围岩条件分析
对李雅庄矿 355 运输大巷调查分析发现，巷道 围岩具有薄层状、碎裂、松散、膨胀、强风化蚀变
由于深部破碎岩层巷道的复杂性，尽管相关学者针 和高地应力作用等特征，属于典型的软岩巷道。岩
对深部巷道支护技术的研究取得了一定的成果，但 层力学参数如表 1 所示。
［收稿日期］ 2015 － 06 － 26
［DOI］ 10. 13532 / j. cnki. cn11 － 3677 / td. 2016. 01. 015
护、一次支护和二次支护互相配合，喷锚注等多种 手段共同实现开挖施工安全和围岩稳定的控制［5］。 祁和刚等提出了采用地应力原位测量，分析地应力 与巷道稳定性的关系及破坏原因，确定了巷道的支 护参数［6］。余 伟 健 等 提 出 由 锚 杆 支 护 压 缩 拱 和 密 集锚索支护压缩拱构成的承载体力学模型，推导了 一次支 护 和 二 次 支 护 的 支 护 结 构 的 强 度 方 程［7］。
细砂岩 2. 69 粉砂岩 2. 74 砂质泥岩 2. 67
煤 1. 43
21. 67 15. 88
9. 21 2. 67
14. 08 9. 71 5. 71 0. 89
34. 72 0. 233 14. 76 24. 20 0. 246 10. 23 14. 20 0. 243 8. 71 2. 40 0. 350 6. 93
q=
2( 1 + sinθb ) ( lstana － Da )
×
DaDltana( 1 － sinθb ) ( 2Ｒ0 + ls － Da )
2 深部破碎岩层巷道变形及支护机理
2. 1 深部岩层巷道支护技术 由于巷道具有强风化、蚀变、破碎、松散的特
征，因此对于破碎围岩巷道首先考虑提高破碎围岩
{ [ ( ) ] } 2πrsK( u0 + u1 )Ｒ0
第 21 卷 第 1 期 （ 总第 128 期） 2016 年 2 月
煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY
Vol. 21No. 1 （ Series No. 128） February 2016
巷道支护理论与技术
深部破碎岩层巷道支护技术研究
董尹庚
（ 神华包头矿业有限责任公司 李家壕煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000）
性曲线，提高支护体利用率； 由于一次支护后巷道 步破坏； 一次承载圈和二次承载圈的协调变形压
围岩性质发生了改变，在一次支护后围岩适当变形 实、强化了一次承载圈，释放了二次承载圈的部分
卸压后进行二次支护，可以实现对围岩变形的控 变形能。
制。
叠加拱承载能力可按下式计算［5］：
在确定支护方式后，应当对支护材料、支护技 术进行针对性地研究。
炭 in 在深部岩体中进行开挖后，巷道围岩中出现应 煤 h 力集中，在深部高地应力作用下巷道围岩产生破 国 .c 坏。由于深部岩石的 “三高一扰动” 复杂环境，
使深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应
中 w 均发生根本性变化［1 －3］。王卫军提出了采用高强锚 w 杆、强力锚索、注浆加固巷道的高阻让压和高强度 w 支护技 术，并 确 定 了 各 支 护 阶 段 的 支 护 时 间［4］。
对深部巷道围岩进行支护。
为锚杆的间、排距，m； D'a，D'l 分别为锚索的间、
排距，m； Ｒ0 为巷道的半径，m； θb 为承载拱内围岩
的内摩擦角， （ °） ； ls，lc 分别为锚杆、锚索的有效
长度，m； a，a' 分别为锚杆、锚索在承载拱围岩中
的控制角，取 45°。
通过公式 （ 1） 结合地应力原位测试或支护后
仍小于达到巷道变形施加的围岩压力，因此通常需
中 w 要二次支护。 尽管深部巷道在一次支护后不能完全控制围岩
ww 的变形，但是一次支护后围岩整体的承载性能发生
此外，如图 2 所示，二次支护还采用锚索支 护，使锚杆支护形成的承载拱与深部围岩联系起 来，实现更大范围利用围岩自承能力的承载圈抵抗 深部高应力。而二次支护的支护力和破碎圈外完整 围岩变形可以对一次锚杆支护破碎圈提供更大的压 实作用力，提高一次支护承载圈的承载强度。
［基金项目］ 国家自然基金资助项目 （ 51574114）
［作者简介］ 董尹庚 （ 1962 － ） ，男，内蒙古鄂尔多斯人，硕士，采矿高级工程师，矿长，现从事煤矿生产技术管理工作。
［引用格式］ 董尹庚 . 深部破碎岩层巷道支护技术研究 ［J］． 煤矿开采，2016，21 （ 1） ： 56 － 58，17.
图 2 双承载拱耦合作用机理
了改变，围岩特性曲线也发生了变化。此时，巷道 2. 2 深部破碎岩层巷道双承载拱支护机理
围岩变形除了与围岩的力学性质及地压特点有关，
双承载圈的作用机理为： 一次支护锚杆锚固端
还与一次支护材料、支护形式有关。
为一次承载圈提供力源； 一次承载圈对二次承载圈
可以看出： 较早地施加支护可以较早地改变特 的变形进行限位约束，阻止二次承载圈内围岩进一
ln
Ｒ0 Ｒ0 + ls
+ ls ρ
+ Q0 +
（ 1）
2( 1 + sinθb ) ( lctana' － D'a ) D'aD'ltana'( 1 － sinθb ) ( 2Ｒ0 + lc －
D'a )
Ec Ac lc
u3
57
总第 128 期
煤矿开采
2016 年第 1 期
式中，K 为剪移比例系数，kg / cm3 ； rs 为锚杆的半 板进行二次支护。
t nism of surrounding rock in deep was discussed，force resource of the first bearing ring was provided by anchored point of the first sup网 e porting，which located in the second bearing ring. The second bearing ring deformation was prohibited by the first bearing ring，the 刊 j.n damage of surrounding rock around the second bearing ring was prohibited，the first bearing ring could be strengthen with coordinated
DONG Yin-geng
（ Lijiahao Coal Mine，Shenhua Baotou Mining Co. ，Ltd. ，Ordos 017000，China）
Abstract： In order to solve the difficulty supporting problems of roadway with cracked strata in deep，the coupling supporting mecha-
56
董尹庚： 深部破碎岩层巷道支护技术研究
2016 年第 1 期
表 1 岩层力学参数
整体的自承能力，并阻断围岩表面与水和空气的接
岩石 密度 / 体积模 剪切模 弹性模 泊松 黏聚 内摩擦 名称 （ kg·m － 3 ）量 / GPa 量 / GPa 量 / GPa 比 力 / MPa角 / （ °）
环。
刊网 j.net 图1 支护体 － 围岩共同作用关系曲线 a 如图 1 中，对于一般巷道，支护材料极限破坏 期 c 强度大于所支护围岩可施加的围岩压力，通常情况 a 下可以通过一次支护对围岩变形进行控制。对于深 炭 in 部巷道 （ 由深部巷道不支护变形阶段、深部巷道 煤 一次支护变形阶段、深部巷道二次支护变形阶段三 国 .ch 部分构成） ，一次支护后支护材料的临界破坏强度
巷道布置在煤层顶板中，平均埋深 500m。在
a ted by numerical simulation. The results showed that the stress concentration of two sides and yield scope decreased sharply，roof sag 期 c and two sides convergence was controlled effectively. a Keywords： roadway with cracked strata in deep； bearing ring； numerical simulation
由于巷道围岩处于高应力状态，一次支护的支 护强度往往不足以控制围岩的破坏，因此巷道深部 围岩发生较大变形并进入塑性区，在本矿表现为围 岩破碎范围增大。在巷道变形相对稳定后，应当选
择合理的支护方式，对巷道进行二次支护。选用注
浆锚杆及锚索进行支护，注浆实现了在巷道破碎带
wenku.baidu.com
围岩形成一个整体性较好、足够强度的自撑承压
径，m； Ｒ0 为全长锚杆中性点半径，m； u0 为巷道 3. 2 合理支护后深部巷道变形破坏分析
一次支护前巷道表面位移量，m； u1 为巷道一次支
经过对未支护深部巷道应力分布、围岩破坏变
护后、二次支护前巷道表面位移量，m； u3 为采用 形进行多种方案的模拟、比较，选择如图 4 的方案
锚索支护后的巷道围岩变形量，m； Ec 为锚索的弹 性模量，MPa； Ac 为锚索断面面积，m2 ； Da ，Dl 分别
［摘 要］ 针对深部破碎岩层巷道支护困难的问题，探讨了深部围岩耦合支护机理： 二次承载
圈通过一次支护锚杆锚固端为一次承载圈提供力源； 一次承载圈对二次承载圈的变形进行约束，阻止
二次承载圈内围岩进一步破坏； 一次承载圈和二次承载圈的协调变形能够压实、强化一次承载圈，释
放二次承载圈的部分变形能。通过数值模拟对巷道支护合理性进行验证，结果表明： 巷道两帮应力集
巷道变形监测等手段可以对锚杆锚索长度、参数进
行合理选型。
图 4 深部巷道支护方案
巷道以锚网及表面喷浆的方式进行支护，提高
3 深部巷道支护模拟分析 采用 FLAC3D 软件，模型为弹塑性材料，依据
t 摩尔 － 库仑屈服准则对矿井 355 大巷进行了数值模 网 e 拟。模型 尺 寸 为 巷 道 轴 部 方 向 20m，水 平 方 向 刊 j.n 40m，高度方向 35m。
中现象明显降低、屈服范围大大减小，顶底板和两帮移近量得到了有效控制。
［关键词］ 深部破碎岩层巷道； 承载圈； 数值模拟
［中图分类号］ TD353 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-6225 （ 2016） 01-0056-03
Supporting Technology of Ｒoadway with Cracked Strata in Deep
仍需进一步研究深部破碎岩层巷道的支护。 本文分析了两次支护各自对围岩的力学作用，
探讨了双承载结构间力学作用关系，提出了深部破 碎围岩巷道支护方案。通过数值模拟对深部巷道围 岩应力分布、破坏变形规律进行研究，对支护的方 案进行验证。研究结果可为深部破碎岩层巷道支护 提供参考。
刘泉声采用分步联合支护，掘进工作面帮顶超前支 1 深部破碎岩层巷道支护存在的问题
42. 0 39. 3 38. 2 36. 4
1. 2 深部巷道支护存在的问题 深部巷道由于其埋藏较深，巷道围岩处于高应
力状态，很难通过目前的支护材料实现一次性支护 控制其围岩变形。可用如图 1 所示支护体 － 围岩共 同作用关系曲线解释。
触。在顶板和侧帮上部使用焊接网或金属网及大变 形锚 杆 进 行 支 护， 并 加 喷 混 凝 土 （ 厚 50mm 左 右） ，阻止破碎岩体垮落。其中，锚杆支护提高岩 块间的挤压力，增加了岩块间的啮合程度，提高围 岩破碎区域整体强度； 锚网及喷浆提高了巷道表面 的完整性，改变了围岩的受力状态。
实践表明，深部巷道围岩通常会在巷道周围产 生一定深度的 “破碎圈”。破碎的围岩导致支护施 工困难、支护效果较差。因此深部巷道应对此类巷 道进行研究，进而确定相应的支护控制技术。 1. 1 深部巷道围岩条件分析
对李雅庄矿 355 运输大巷调查分析发现，巷道 围岩具有薄层状、碎裂、松散、膨胀、强风化蚀变
由于深部破碎岩层巷道的复杂性，尽管相关学者针 和高地应力作用等特征，属于典型的软岩巷道。岩
对深部巷道支护技术的研究取得了一定的成果，但 层力学参数如表 1 所示。
［收稿日期］ 2015 － 06 － 26
［DOI］ 10. 13532 / j. cnki. cn11 － 3677 / td. 2016. 01. 015
护、一次支护和二次支护互相配合，喷锚注等多种 手段共同实现开挖施工安全和围岩稳定的控制［5］。 祁和刚等提出了采用地应力原位测量，分析地应力 与巷道稳定性的关系及破坏原因，确定了巷道的支 护参数［6］。余 伟 健 等 提 出 由 锚 杆 支 护 压 缩 拱 和 密 集锚索支护压缩拱构成的承载体力学模型，推导了 一次支 护 和 二 次 支 护 的 支 护 结 构 的 强 度 方 程［7］。
细砂岩 2. 69 粉砂岩 2. 74 砂质泥岩 2. 67
煤 1. 43
21. 67 15. 88
9. 21 2. 67
14. 08 9. 71 5. 71 0. 89
34. 72 0. 233 14. 76 24. 20 0. 246 10. 23 14. 20 0. 243 8. 71 2. 40 0. 350 6. 93
q=
2( 1 + sinθb ) ( lstana － Da )
×
DaDltana( 1 － sinθb ) ( 2Ｒ0 + ls － Da )
2 深部破碎岩层巷道变形及支护机理
2. 1 深部岩层巷道支护技术 由于巷道具有强风化、蚀变、破碎、松散的特
征，因此对于破碎围岩巷道首先考虑提高破碎围岩
{ [ ( ) ] } 2πrsK( u0 + u1 )Ｒ0
第 21 卷 第 1 期 （ 总第 128 期） 2016 年 2 月
煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY
Vol. 21No. 1 （ Series No. 128） February 2016
巷道支护理论与技术
深部破碎岩层巷道支护技术研究
董尹庚
（ 神华包头矿业有限责任公司 李家壕煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000）
性曲线，提高支护体利用率； 由于一次支护后巷道 步破坏； 一次承载圈和二次承载圈的协调变形压
围岩性质发生了改变，在一次支护后围岩适当变形 实、强化了一次承载圈，释放了二次承载圈的部分
卸压后进行二次支护，可以实现对围岩变形的控 变形能。
制。
叠加拱承载能力可按下式计算［5］：
在确定支护方式后，应当对支护材料、支护技 术进行针对性地研究。
炭 in 在深部岩体中进行开挖后，巷道围岩中出现应 煤 h 力集中，在深部高地应力作用下巷道围岩产生破 国 .c 坏。由于深部岩石的 “三高一扰动” 复杂环境，
使深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应
中 w 均发生根本性变化［1 －3］。王卫军提出了采用高强锚 w 杆、强力锚索、注浆加固巷道的高阻让压和高强度 w 支护技 术，并 确 定 了 各 支 护 阶 段 的 支 护 时 间［4］。
对深部巷道围岩进行支护。
为锚杆的间、排距，m； D'a，D'l 分别为锚索的间、
排距，m； Ｒ0 为巷道的半径，m； θb 为承载拱内围岩
的内摩擦角， （ °） ； ls，lc 分别为锚杆、锚索的有效
长度，m； a，a' 分别为锚杆、锚索在承载拱围岩中
的控制角，取 45°。
通过公式 （ 1） 结合地应力原位测试或支护后
仍小于达到巷道变形施加的围岩压力，因此通常需
中 w 要二次支护。 尽管深部巷道在一次支护后不能完全控制围岩
ww 的变形，但是一次支护后围岩整体的承载性能发生
此外，如图 2 所示，二次支护还采用锚索支 护，使锚杆支护形成的承载拱与深部围岩联系起 来，实现更大范围利用围岩自承能力的承载圈抵抗 深部高应力。而二次支护的支护力和破碎圈外完整 围岩变形可以对一次锚杆支护破碎圈提供更大的压 实作用力，提高一次支护承载圈的承载强度。
［基金项目］ 国家自然基金资助项目 （ 51574114）
［作者简介］ 董尹庚 （ 1962 － ） ，男，内蒙古鄂尔多斯人，硕士，采矿高级工程师，矿长，现从事煤矿生产技术管理工作。
［引用格式］ 董尹庚 . 深部破碎岩层巷道支护技术研究 ［J］． 煤矿开采，2016，21 （ 1） ： 56 － 58，17.
图 2 双承载拱耦合作用机理
了改变，围岩特性曲线也发生了变化。此时，巷道 2. 2 深部破碎岩层巷道双承载拱支护机理
围岩变形除了与围岩的力学性质及地压特点有关，
双承载圈的作用机理为： 一次支护锚杆锚固端
还与一次支护材料、支护形式有关。
为一次承载圈提供力源； 一次承载圈对二次承载圈
可以看出： 较早地施加支护可以较早地改变特 的变形进行限位约束，阻止二次承载圈内围岩进一
ln
Ｒ0 Ｒ0 + ls
+ ls ρ
+ Q0 +
（ 1）
2( 1 + sinθb ) ( lctana' － D'a ) D'aD'ltana'( 1 － sinθb ) ( 2Ｒ0 + lc －
D'a )
Ec Ac lc
u3
57
总第 128 期
煤矿开采
2016 年第 1 期
式中，K 为剪移比例系数，kg / cm3 ； rs 为锚杆的半 板进行二次支护。
t nism of surrounding rock in deep was discussed，force resource of the first bearing ring was provided by anchored point of the first sup网 e porting，which located in the second bearing ring. The second bearing ring deformation was prohibited by the first bearing ring，the 刊 j.n damage of surrounding rock around the second bearing ring was prohibited，the first bearing ring could be strengthen with coordinated
DONG Yin-geng
（ Lijiahao Coal Mine，Shenhua Baotou Mining Co. ，Ltd. ，Ordos 017000，China）
Abstract： In order to solve the difficulty supporting problems of roadway with cracked strata in deep，the coupling supporting mecha-
56
董尹庚： 深部破碎岩层巷道支护技术研究
2016 年第 1 期
表 1 岩层力学参数
整体的自承能力，并阻断围岩表面与水和空气的接
岩石 密度 / 体积模 剪切模 弹性模 泊松 黏聚 内摩擦 名称 （ kg·m － 3 ）量 / GPa 量 / GPa 量 / GPa 比 力 / MPa角 / （ °）
环。
刊网 j.net 图1 支护体 － 围岩共同作用关系曲线 a 如图 1 中，对于一般巷道，支护材料极限破坏 期 c 强度大于所支护围岩可施加的围岩压力，通常情况 a 下可以通过一次支护对围岩变形进行控制。对于深 炭 in 部巷道 （ 由深部巷道不支护变形阶段、深部巷道 煤 一次支护变形阶段、深部巷道二次支护变形阶段三 国 .ch 部分构成） ，一次支护后支护材料的临界破坏强度
巷道布置在煤层顶板中，平均埋深 500m。在