巷道两帮稳定性分析及支护对策

马 骁

（宁夏煤业有限责任公司梅花井煤矿，宁夏银川750014）

摘要 井巷两帮稳定性差，控制难度大，尤其对于大断面巷道来说，巷道帮部控制一直是巷道支护的难点和薄弱点，帮部破坏变形程度严重时，会影响巷道断面，不利于煤矿通风、运输，制约煤矿安全生产。通过对巷道两帮稳定性分析，将巷道两帮失稳分为压裂失稳和剪切失稳，针对巷道两帮稳定性进行了力学分析及现场观测。在对回采巷道两帮采用支护优化后，两帮移近量减小，最大移近量减少了500~800 mm，帮部变形得到有效控制，两帮围岩稳定，支护效果显著。

关键词 巷道两帮 稳定性 支护

煤矿巷道围岩应力大小和规律是巷道支护方式选取的重要依据之一，巷道支护方式的选择直接影响着围岩稳定性及破坏变形程度。而对于回采巷道来说，尤其是深井大断面巷道，高应力作用下围岩的破坏形式趋于复杂，相对于顶板、巷道两帮破坏形态较多，主要有剪切破坏、劈裂破坏、重力滑落破坏及横拱形破坏等。通过对回采巷道两帮围岩在锚杆支护后，两帮锚固围岩应力状态及稳定性分析，合理地进行支护优化，可以有效地提高两帮稳定性。

1巷道两帮稳定性破坏特征及分析

1.1工程概况

梅花井煤矿23采区位于井田北翼，所采煤层为2-2煤，平均有益厚度4.87 m，硬度系数F1.6，工作面采深405～+671 m，工作面平均走向长度2667 m。232204工作面回风巷目前已进入回采阶段，巷道变形严重，尤其两帮移近量最大达1500 mm，巷道维护量大。

图1 23采区顶底板岩性柱状图

顶底板岩层（图1）主要以粉砂岩为主，强度低，易破碎，围岩条件差，施工条件复杂。

1.2巷道两帮破坏特征

梅花井煤矿232204工作面回风巷巷道断面为直墙半圆拱形巷道，巷道断面在18.47 m2以上，巷道支护方式采用锚杆、金属网、锚索、钢带、喷射砂浆及混凝土地坪联合支护方式，支护强度较大，但是锚杆、锚索仍不能很好地控制围岩变形，巷道掘进和回采过程中，两帮变形破坏主要有以下特征：

（1）在围岩应力作用下两帮呈现整体破碎，尤其两帮中上部位鼓出严重，出现压裂鼓包破坏。两帮上下肩角部位变形相对较小。部分变形严重区域两帮锚杆出现拔断、随煤体整体拉移现象，进一步破坏了两帮煤体的完整性，最严重部位在两帮偏中上部。

（2）从巷道围岩表面观测来看，两帮移近量平均为700~1200 mm，两帮变形破坏深度1.5 m左右，主要是由于两帮为松散煤体，两帮围岩完整性较差及在两帮围岩内部出现较大裂隙所致。

（3）巷道普遍存在底鼓，后期起底维护工程量大，并且起底维护后，在采煤工作面回采过程中还需要继续起底，煤帮底角无支护煤体暴露，两帮底角煤体破碎度较大，且有一定的煤体滑移挤出。

1.3巷道两帮锚杆支护作用机理

对于巷道围岩来说，两帮受高应力作用形成较大的破碎区，两帮锚杆支护的作用就是使锚杆与锚固范围内岩体相互作用形成锚固承载结构体。两帮围岩与锚杆形成的锚固承载结构体主要有以下作用：（1）通过锚杆预紧力形成锚固岩体承载顶板上方破碎岩体载荷。

（2）通过托板、金属网等岩体表面支护结构件在锚杆、锚索锚固区域形成压力承载体控制两帮围岩变形。在两帮破碎围岩内聚力很小的情况下，围岩破坏的主要因素取决于压应力和剪应力作用，而锚杆支护形成压力承载体后，围岩峰值强度和残余强度得到改善，使得两帮围岩承载能力提高，两帮围岩破碎区及塑性区宽度减小，促使巷道两帮围岩整体处于相对稳定状态。

2巷道两帮围岩稳定性力学分析

2.1巷道两帮失稳形态

锚杆支护的作用就是主动支护，将围岩锚固为一个整体，保持围岩稳定。围岩的破坏主要是由于锚杆锚固强度、锚固效果降低，围岩压力大于锚固力，导致围岩锚固体失稳造成的。

当巷道两帮围岩强度较低时，在采掘影响下，其强度较低而表现出承载力很小甚至完全丧失，此时巷道两帮的破坏表现出多种形态。

对于回采巷道来说，由于两帮破碎区较大，两帮围岩的强度处于相对较小的状态下，在锚杆锚固作用下，两帮围岩稳定性得到强化，但其强度的提高有限，当锚固作用受到围岩压力、剪切力影响后，锚固强度不足时，围岩变形破坏，此破坏形态与无锚全岩自身变形存在很大差异。

根据锚杆支护两帮力学性能提高程度和顶板压力及上部载荷大小，把巷道两帮围岩失稳分为压裂失稳和剪切失稳，见图2。

2.1.1压裂失稳

在帮部围岩锚固强度相对较小时，受帮部围岩上方顶板围岩及上部破碎岩体的较大载荷压力作用，帮部锚固围岩平均抗压强度小于承载压力，帮部锚固围岩内部呈压缩破坏失稳，称为压裂失稳，见图2（a）。

2.1.2剪切失稳

在帮部围岩锚固强度相对较大时，受帮部围岩上方顶板围岩及上部破碎岩体较大载荷压力作用，两帮由于压缩产生横向拉应力至帮部围岩的剪应力大于抗剪强度，帮部锚固围岩内部产生剪切滑动破坏失稳，称为剪切失稳，见图2（b）。

图2两帮围岩破坏形态

2.2两帮围岩稳定性力学分析

巷道两帮稳定性主要是依靠锚杆主动支护加强围岩稳定性，两帮帮部锚固围岩破坏主要与加强支护后的岩体的力学参数有关。根据以上分析，建立巷道两帮锚固岩体稳定性力学模型，见图3。

图3两帮锚固岩体力学分析

为便于分析验证，将巷道围岩受力理想化，做出以下假设：①两帮围岩分布均匀，假想为均匀介质，且两帮围岩区域整体破碎，锚固岩体承载载荷为顶板锚固岩体自重以及上方破碎岩体或不稳定岩层载荷之和；②锚杆较好地起到锚固作用，且锚固岩体厚度为锚杆长度，锚固岩体高度为巷道高度。

下面就巷道围岩压裂和剪切失稳两种情况分别进行稳定性力学分析。

2.2.1巷道围岩压裂失稳力学分析

确定巷道两帮破碎区，根据普氏冒落拱理论，得巷道顶板冒落拱高度为

式中：f1——顶板岩层普氏系数；

W——巷道宽度；

H——巷道中高；

φ＇——岩体似内摩擦角，φ＇=arctan f1。

当巷道顶板压力较大时，破碎区高度以达到相对稳定的岩层为止（一般为直接顶高度或不稳定岩层高度）。

帮部岩体体压裂破坏时，最大破坏深度为

式中：Δa——两帮最大破坏深度，m；

H ——巷道高度，m；

f2——两帮围岩普氏系数。

帮部锚固岩体上方载荷集度为

式中：γ1——顶板锚固岩体及上方破碎岩体体积力，0.025 MN/m3；

l——两帮围岩锚固岩体厚度（锚杆长度）, m。

这里分两种情况讨论，当巷道顶板只存在破碎区时，h1为顶板冒落拱的高度；当巷道顶板压力较大时，顶板破碎区上方有岩层移动时，h1为顶板上部不稳定岩层（或直接顶）的高度。对于巷道两帮破碎围岩，采用锚杆支护可得巷道帮部锚固岩体支护强度，即

式中：P——锚杆支护强度，MPa；

N——锚杆锚固力（拉拔力）, kN；

SC——锚杆间距，m；

Sl——锚杆排距，m。

由锚杆支护强度及围岩强度强化理论所得数据，可得相对应锚固岩体的等效内聚力和等效内摩擦角。巷道两帮锚固岩体平均单轴抗压强度可依据现有研究

式中：Rc——锚固岩体的单轴抗压强度，MPa；

φk——锚固岩体等效内摩擦角（°）。

根据围岩强度强化理论及巷道两帮锚固岩体破坏时满足库仑—莫尔强度准则，可得

则可得

式中：ck——锚固岩体等效内聚力，MPa。

要使巷道帮锚固岩体不发生压裂破坏失稳，则须满足

则，帮部锚固岩体安全稳定性系数为

nσ>1时，帮部锚固岩体处于稳定状态；nσ=1时，帮部锚固岩体处于失稳临界状态；nσ<1时，帮部锚固岩体发生破坏失稳。

2.2.2巷道围岩压裂失稳力学分析

巷道两帮锚固岩体发生剪切破坏时，两帮的最大破坏深度为

式中：φ＇——巷道两帮围岩似内摩擦角，（°）。

当普氏系数小于1时，可直接将内摩擦角φ代替似内摩擦角。

根据莫尔—库仑准则，两帮破坏是由于帮部锚固岩体内的剪应力大于抗剪强度而发生剪切滑动破坏，则帮部锚固岩体剪切面上的抗剪力为

式中：γ2——两帮锚固岩体体积力，MN/m3；

帮部锚固岩体剪切面上的滑动力为

要使帮部锚固岩体不发生剪切破坏失稳，则须满足

相应的安全稳定性系数为

nτ>1时，帮部锚固岩体处于稳定状态；nτ=1时，帮部锚固岩体处于失稳临界状态；nτ<1时，帮部锚固岩体发生破坏失稳。

由巷道两帮锚固岩体稳定性判别式看出，安全稳定性系数越大，巷道两帮锚固岩体越稳定。

3巷道两帮支护对策

3.1控制帮部破坏变形措施

从锚杆支护机理及力学分析可以看出，造成两帮破坏变形的主要因素是帮部锚固岩体发生压裂失稳和剪切失稳。

在对梅花井煤矿23采区232204回风巷巷道两帮变形破坏特征进行持续观测可以看出，压裂失稳主要会造成巷道帮部变形破坏，致使帮部出现破碎、鼓起等现象；而剪切失稳除导致帮部变形，会伴随着底板底鼓，顶板下沉等现象；由于压裂失稳和剪切失稳因素，导致巷道帮部偏中上部（拱基线部位）应力相对集中，致使帮部偏中上部变形量最大。

因此控制两帮稳定性的最佳途径是克服巷道两帮压裂失稳和剪切失稳。

3.1.1克服围岩压裂失稳

从力学分析可以看出，导致围岩锚固岩体发生压裂失稳的主要因素是围岩破碎深度和围岩完整程度，因此可以采取以下措施来控制围岩整体性。措施为：①调整施工流程，帮部支护必须及时，巷道开挖后立即对帮部进行支护，缩短空帮时间，从而保证巷道在开挖之处就得到加强稳固，从而保证围岩完整性；②加密锚杆支护密度，提升对围岩的锚固强度；③帮部铺设金属网、塑料网，增大锚杆托板面积，提高锚网支护围岩表面结构件支护面积，控制围岩垮落、松散，保持围岩整体性；④及时喷浆封闭，减少围岩表面风化程度。

3.1.2克服围岩剪切失稳

围岩锚固岩体发生剪切失稳的主要因素是围岩内摩擦角和岩体整体抗剪强度，可以采取以下措施来控制围岩整体性。措施为：①增强锚杆锚固强度及抗剪强度，提高锚杆杆体直径及材质的抗剪强度；②调整帮部锚杆施工角度，帮部底脚锚杆应偏向底板15°~30°，帮部偏上部（拱基线部位）锚杆角度应偏向顶部15°~30°; ③帮部施工帮锚索，通过加强锚固深度，减小围岩最大破坏深度，增大围岩临界自稳角度，从而提升围岩抗剪强度，帮部锚索施工在帮部偏中上部（拱基线部位），对增强围岩完整性及抗剪强度效果最佳。

3.2巷道支护优化方案

通过对232204回风巷巷道两帮变形情况分析，232205工作面回风巷支护设计进行了如下优化：（1）以往在施工时，为了加快施工速度，中夜班只进行巷道顶部支护，帮部支护留在早班检修过程中平行施工，导致帮部存在一定空帮时间，围岩稳定性较差时，可以明显观察到帮部表面破碎，破坏岩体整体性。修改施工流程后，每循环完成巷道全断面支护，及时控制帮部破坏，保护帮部整体性。

（2）帮锚杆间排距由800 mm×900 mm修改为600 mm×800 mm，且锚固力不小于50 kN，预紧力不小于140 N。

（3）帮部增加一列锚索，锚索规格为Φ21.8 mm×4300 mm，每根锚索使用3节树脂药卷，且锚固力不小于200 kN，预紧力不小于100 kN。

（4）帮部铺设金属网、塑料网双层网，锚杆配套使用的120 mm×120 mm×10 mm蝶型钢制托板修改为170 mm×170 mm×12 mm蝶型钢制托板。

（5）及时喷浆支护，锚、网、索支护后一月内进行喷浆封闭。

3.3支护优化后巷道稳定性结果分析

收集232204回风巷与232205工作面回风巷矿压监测结果，根据相同时间段巷道两帮表面位移量对比表见表1。

通过对232204工作面回风巷进行支护优化后，两煤帮围岩位移量明显减小，两帮最大移近量为600mm，平均移近量为400 mm，不到原支护方案两帮位移量的1/2，并且随着时间变化，相对位移量也明显减小。

表1 232204回风巷与232205回风巷两帮表面位移量监测记录表

可以看出，锚杆（索）对两帮松软煤体的强力支护使得两帮围岩的承载能力得到提高，同时，两帮的稳定也使得顶板的下沉破断运动得到控制，采用设计支护方案后，巷道两帮的移近量为原支护方案两帮移近量的0.36倍，巷道两帮收缩变形较小，围岩稳定，支护效果显著。

4结论

（1）通过对巷道两帮围岩破坏特征及作用机理分析，两帮最大破坏部位在帮偏中上部，帮锚杆支护的作用就是使锚杆与锚固范围内岩体相互作用形成锚固承载结构体，锚固岩体的作用主要是承载顶板上方破碎岩体载荷及控制两帮围岩变形。

（2）把巷道两帮围岩失稳分为压裂失稳和剪切失稳，两帮围岩首先失稳形态为压裂失稳，建立了巷道两帮围岩不同失稳形态下稳定性力学模型，提出了提升围岩稳定性支护对策，并通过对比验证对策的有效性。

参考文献

［1］勾攀峰，侯朝炯．回采巷道锚杆支护顶板稳定性分析［J］．煤炭学报，1999,24（5）:466-470.

［2］勾攀峰，陈启永，吴铁军．回采巷道锚杆支护两帮稳定性分析［J］．焦作工学院学报，1999,18（5）:317-321.

作者简介

马骁，生于1991年，采矿工程师，神华宁夏煤业集团梅花井煤矿技术主管，现从事煤矿掘进技术管理工作。