58
doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2019.03.023
能源技术与管理
EnergyTechnologyandManagement
年62019年第201944卷第3月期
Vol.44Jun.,No.32019
软岩巷道围岩加固技术研究（阳泉煤业集团五鑫煤业有限公司，山西忻州036604）
［摘
要］针对采动引起的软岩巷道围岩大变形、难支护的问题，以新元煤矿新补北回风巷为
研究对象，采用数值模拟与现场实践分析相结合的方法，通过对比分析了不同加固形式下围岩应力以及塑性区分布，确定合理的加固形式。工程实践表明，巷道围岩采用锚注与锚网索喷联合加强支护，强化了巷道整体性，改善了巷道围岩的承载性能，有效控制了巷道变形，支护效果得到显著提升，巷道稳定性明显提高。
［关键词］软岩巷道；锚注加固；数值模拟；动压影响
［中图分类号］TD353+.6［文献标识码］B［文章编号］1672蛳9943（2019）03蛳0058蛳03
表2取样名称、规格及数量
编号12
煤岩样名称砂质泥岩泥岩
规格要求准50mm×200mm准50mm×200mm
数量/个
44
0引言
软岩具有强度低、自承能力差、变形速度快的特性，一旦受到采动影响，极易出现巷道底鼓、顶板冒落问题，一定程度上加剧了巷道的变形咱1暂。因此，保持软岩的稳定是巷道围岩加固支护的关键因素。但目前学者对于软岩加固形式的研究还不够深入咱2-4暂。本文以新元矿新补北回风巷为工程背景，采用数值模拟和现场试验相结合的方法，研究加固支护形式对软岩巷道围岩稳定性的影响，从而确定了合理的加固形式，对于解决动压作用下软岩巷道的支护难题具有一定的指导作用。
通过对巷道围岩单轴抗压强度试验，得到各岩石的应力应变曲线，选取其中具有代表性的予以分析，如图1、2所示。
108200
4000
8000
12000
16000
20000
1实验工程地质背景
平均厚度为3.0m，其新元煤矿主采3#煤层，
应变/滋着
图1砂质泥岩单轴抗压强度下应力应变曲线
2.521.510.500
2000
40006000
应变/滋着
8000
1000012000
中顶板为泥岩，底板为砂质泥岩。煤层顶底板岩性如表1所示。
表1工作面煤层顶底板岩性
岩层煤层砂岩泥岩注浆后泥岩
体积模量/GPa2.0002.3001.6002.100
剪切模1.0501.4501.3001.700
密度1300250021002300
摩擦23261816
黏聚1.403.452.004.00
抗拉强1.72.60.81.6
/N/m3）角/(毅)力/MPa度/MPa量/GPa（
图2泥岩单轴抗压强度下应力应变曲线
由岩石应力应变曲线可知,巷道围岩泥岩抗压强度较小，平均为2.39MPa，底板砂质泥岩抗压强度为10.1MPa。由于巷道围岩强度较小，则顶底板围岩均属于软岩且易发生破碎。
从表1可看出，3＃煤层巷道围岩主要是泥岩和砂质泥岩，因此对这2种岩石进行单轴抗压强度力学测试。
研究确定拟选取的岩样有2种，具体名称、规格及数量如表2所示。
2合理加固形式的确定
2.1数值模型建立
2019年6月
Jun.,2019
李红，等软岩巷道围岩加固技术研究
59
根据新元煤矿新补北回风巷道的具体地质条件，模拟无支护、原锚网梁和锚索喷浆联合支护以及锚注与锚网索喷联合加强支护3种不同支护方式下巷道围岩的应力及塑性区分布情况。模拟煤层厚度3.0m，巷道沿3#煤层顶板掘进。经过分析得出,新元煤矿新补北回风巷为软岩巷道，因此巷道围岩模型采用小的结构块，将巷道围岩尺寸划分为0.8m伊0.3m(宽伊高)。整个模型尺度为100m伊50m，边界载荷按350MPa计算，巷道围岩本构关系采用摩尔－库仑模型，并固定模型的左右边界，数值模型如图3所示。
上覆岩层
基本顶（砂岩）
直接顶（泥岩、砂质泥岩）
3号煤
直接底（泥岩、砂质泥岩）
老底
图3数值计算模型
2.2加固形式与围岩垂直应力分布的关系
在不同支护方式下围岩垂直应力状况如图4所示。
106
188418
16102
610
812141414
12810
16108814162
12
12
44868610
（a）无支护
（b）原锚网梁、锚索喷浆联合支护
108
12
1214
141212
42
8
6
10
（c）锚注与锚网索喷联合加强支护
图4不同支护形式下巷道围岩垂直应力分布状况
由图4可看出：①在无支护的情况下，巷道围岩周围应力较大，在巷道围岩左右两帮12m处围
岩垂直应力达到最大值16MPa。在巷道顶底板20m处垂直应力达到最大值为10MPa左右。②采用原锚网梁、锚索喷浆联合支护的情况下，巷道围岩整体状况得到了一定的改善。巷道围岩最大垂直应力分布于巷道两帮5m处，大约16MPa。巷道顶板最大垂直应力分布于距顶底板15m左右处，围岩垂直应力最大值约为12MPa。③采用锚注与锚网索喷联合加强支护后，巷道整体的围岩物理性质得到增加，巷道顶底板也较其他支护形式下围岩稳定性有了较大的提高，最大垂直应力分布于顶底板9m处，最大应力为8MPa。
由上述分析可知，采用锚注与锚网索喷联合加强支护可以显著增加围岩的承载能力,进而提
高围岩的稳定性。
2.3加固形式与围岩塑性区分布的关系
新补北回风巷在不同支护形式下巷道围岩塑性区分布状况如图5所示。
（a）无支护
（b）原锚网梁、锚索喷浆联合支护
（c）锚注与锚网索喷联合加强支护
图5不同支护形式下巷道围岩塑性区分布状况
其中不同支护条件下围岩塑性区的分布如表3所示。
表3不同支护形式塑性区范围
单位：m
支护方式
无支护原锚网梁、锚索锚注与锚网索喷喷浆联合支护
联合加强支护
顶底板852.3两帮
10
6
1.5
由其塑性区分布范围可以得出：①不采用支护的情况下巷道围岩塑性区整体分布范围较大，
60
能源技术与管理
EnergyTechnologyandManagement
年62019年第201944卷第3月期
Vol.44Jun.,No.32019
在巷道两帮塑性区范围达到10m左右，在顶底板围岩处，塑性区范围达到8m左右，围岩破碎程度较大。②在采用原锚网索喷浆联合支护下塑性区的分布范围有所减小，两帮塑性区范围为6m左右，顶底板塑性区范围为5m左右，巷道整体依然存在较大的变形。③在采用锚注与锚网索喷联合加强支护后，巷道围岩的塑性区范围较小，巷道两帮塑性区范围在1.5m左右，巷道顶板围岩塑性区范围在2.3m左右。由此可知，新补北回风巷围岩采用锚注与锚网索喷联合加强支护后，围岩塑性区范围减少，稳定性得到较大的提高。
3工业实践分析
通过对上述模拟结果对比分析可知，采用锚
注与锚网索喷联合加强支护新元煤矿新补北回风巷，使得巷道围岩承载能力得到了显著的提高。现场实践中对巷道围岩在原有支护条件下采用锚注与锚网索喷联合支护进一步加固，并对巷道围岩位移进行监测，其支护示意如图6所示。
原巷道支护
原巷道支护800800800800800800原巷道支护
矸石
矸石准220400mmmm×
锚杆
2400准20mmmm×拉钩套
锚杆
270027006000
15°
15°
图6锚注与锚网索喷联合加强支护
在原支护的条件下，巷道两帮底板再各补打4根规格为准20mm×2400mm锚杆，其中底板底角锚杆与竖直方向呈15毅夹角。巷道围岩位移变形情况如图7所示。由图7可知,巷道围岩在工作面前方90m处开始发生变形，围岩变形量达到最大，底鼓量达到200mm左右，顶板下沉量为32.6mm，煤柱帮变形量56.7mm，实体煤帮变形量43.4mm。由实测数据可知，采用该支护方式使得围岩的稳定性得到了显著提高，使得围岩变形量在可控范
围内，取得了较好的支护效果。
700600顶板500底板400煤柱帮300实煤体帮
20010000
50
100
150
200
250
测点距工作面距离/m
图7巷道围岩变形情况
4结论
（1）对现场围岩进行力学性能测试得知，泥岩抗压强度平均2.39MPa，底板砂质泥岩抗压强度为10.1MPa。由于巷道围岩强度较小，受采动影响易发生破碎。
（2）通过UDEC数值模拟软件分析不同支护形式下围岩的应力分布及塑性区范围表明，采用锚注与锚网索喷联合加强支护时，巷道围岩承载能力加强，塑性区范围减小，提高了巷道围岩的稳定性。
（3）针对新元煤矿新补北回风巷生产地质条件，确定了巷道加固形式为锚注与锚网索喷联合加强支护。现场实测巷道两帮变形量平均为198mm，顶板变形量为120mm，底板变形量为620mm，巷道变形量满足变形要求。
［参考文献］
［1］汪占领.深部动压软岩巷道底鼓控制技术研究［J］.煤炭
工程，2017，49（7）：55-57．
［2］周恒，漆泰岳，肖锋.深部软岩巷道高强锚杆辅助锚注
支护加固机理及应用［J］.采矿与安全工程学报，2006（3）.［3］王会琼，张元胤，李克钢.软岩巷道围岩变形及支护优
化的3DEC分析［J］.矿业研究与开发，2018，38（2）：40-43.
［4］张德宝，张智纲.弱胶结软岩巷道锚网喷架联合支护技
术［J］.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2015，34（4）：447-452.［作者简介］
李红（1975-），男，工程师，毕业于太原理工大学采矿工程专业，现任阳泉煤业集团五鑫煤业有限公司副总工程师兼生产技术部，长期从事采矿技术与科技项目的管理工作。
［收稿日期：2018-07-04］
