秦皇岛软岩巷道支护（山东科技大学谭云亮教授）

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受《煤炭科学技术》编辑部邀约，谭云亮教授在《煤炭科学技术》2021年第1期撰文“弱胶结软岩煤巷锚杆索-围岩变形协同控制方法研究”。

个人简介

谭云亮，二级教授，博士、博士生导师，山东省矿山空区治理与环境保护协同创新中心主任、山东省冲击地压防治智能化技术及装备工程实验室主任、山东省高校力学首席专家、山东科技大学冲击地压防治研究院院长；首批新世纪百千万人才工程国家级人才、享受国务院政府特殊津贴专家、国家安全生产专家、煤矿安全应急救援专家、教育部矿业类教学指导委员会委员、山东省有突出贡献中青年专家、泰山学者特聘专家、山东省高端智库专家、中国煤炭工业协会科技创新领军人才；中国煤炭工业安全科技学会常务理事、顶板防治专业委员会主任，中国力学学会理事、山东省力学学会副理事长，中国岩石力学与工程学会理事、山东岩石力学学会副理事长，中国煤炭工业协会技术专家委员会委员；山东省富民兴鲁劳动奖章获得者、山东青年五四奖章获得者、中国岩石力学与工程青年科技奖（金奖）获得者、中国科教发展基金会孙越崎青年科技奖获得者；《能源科技》副主编、《岩石力学与工程学报》《采矿与安全工程学报》《地下空间与工程学报》《煤炭科学技术》《矿业科学学报》《采矿与岩层控制工程学报》等编委。主持国家重点研发计划等省部级以上科研项目30余项，出版著作13部，公开发表学术论文260余篇，获得国家及省部级科技进步奖励24项，授权发明专利58项。研究方向：冲击地压防治，煤矿巷道支护理论与技术

论文创新点

（1）对比研究了弱胶结软岩特性与破坏力学特征，提出提高其等效黏聚力和围岩应力水平是提升其抗变形能力的最有效途径；

（2）针对弱胶结软岩巷道顶板锚杆破断失效特征，研究揭示巷道顶板破坏失稳力学机制，得到预紧力低是支护体破断失效的关键所在；

（3）提出高预紧力下锚杆-围岩变形协同控制机理，探究预紧力与“锚杆-围岩”形变协同关系，给出了基于高预紧的锚杆－围岩形变协同控制设计方法。

摘 要

针对西部弱胶结软岩煤巷顶板支护易失效问题，在探究弱胶结泥岩物性组分及破坏力学特征 基础上，分析弱胶结软岩巷道围岩破坏特征，揭示弱胶结软岩巷道顶板破坏失稳机理，提出弱胶结软 岩高预紧力下锚杆-围岩变形协同机理，开发相应支护设计方法，并进行应用实践。结果表明:1弱 胶结软岩黏土矿物含量高，微裂隙发育造成其强度小、黏聚力小、胶结性差、易碎胀，在低围压条件下 就产生剪切滑移破坏，提高其等效黏聚力和围岩应力水平是提升其抗变形能力的最有效途径;2弱胶 结泥岩特性、高水平应力及低锚杆( 锚索) 预紧力等因素综合作用下，弱胶结软岩顶板易发生整体性 下沉，内部破裂严重，破裂范围最大达 4.0 m，尤其是煤岩界面破裂剪胀使部分锚杆-锚索破断失效，加剧顶板破裂下沉;3锚杆支护作用体现在提高锚杆加固范围内岩层等效黏聚力，锚索支护则强调对 其支护范围内岩层提供较强的支护应力，两者工作阻力越高支护效果越好;4高预紧力下锚杆与锚索 联合支护时，锚杆、锚索变形与顶板变形下沉协同、相适应，且要最大程度发挥锚杆-锚索支护效能。现场应用表明，按照高预紧力锚杆-围岩形变协同支护后，弱胶结软岩巷道顶板控制效果好，达到设计预期，该方法为弱胶结软岩巷道支护提供参考。

引言

随着我国西部煤炭资源开采深度不断增大，地应力由垂直应力向水平应力为主导转变。弱胶结软岩由于自身强度低、胶结性差、易破坏的特点，高应力时，巷道围岩破坏严重、支护困难，浅部锚杆强度支护经验难以满足支护需求。

煤矿巷道常采用锚杆支护，我国专家学者在经典悬吊理论、组合梁( 拱) 理论等基础上，研究提出松动圈理论、围岩强化理论、承载圈理论等，探 索形成了高预应力强力支护技术、锚杆(索)耦 合支护技术、大变形让压支护技术、锚索梁支护技术及锚杆注浆联合支护技术等，并研发系列支护材料，为有效控制巷道围岩变形做出重要贡献。然而，以锚杆为核心的支护技术，常通过使用新支护材料或加大支护强度来实现围岩控制，这无疑造成高支护成本、低支护效率等。针对西部中深埋弱胶结软岩巷道特点，如何在满足锚杆支 护强度的前提下，最大程度发挥锚杆支护性能，实现 围岩控制，值得探讨。

笔者拟从弱胶结软岩特性及其破坏力学特征出发，提出提升弱胶结围岩抗变形能力的途径;研究弱胶结软岩巷道变形破坏特征，揭示弱胶结软岩煤巷顶板失稳机理;探究弱胶结软岩锚杆、锚索支护关键作用，提出锚杆(锚索)性能最佳发挥的锚固协同支护方法，并进行现场应用试验。

1 弱胶结软岩物性与破坏力学特征

蒙西地区煤岩层受沉积建造等影响，地层中广泛分布有中生代侏罗系、白垩系弱胶结岩层，该类煤系地层大多由砂岩、泥岩组成，越接近煤层岩石含泥质成分越高，这些岩层成岩时间晚、胶结差、强度普 遍很低、易风化、遇水易泥化崩解 。

1.1 弱胶结软岩物性组分

红庆梁煤矿主采 3-1 煤层，顶底板以泥岩为主。经X衍射试验测定，泥岩矿物成分为石英、伊利石、绿泥石及钠长石等，其中伊利石与绿泥石均属于黏土矿物，两者占比达 52.76%，黏土矿物含量高是其胶结性差的物性基础;细观上泥岩内部微裂隙发育，且微裂隙多处于黏土矿物胶结处，使得泥岩胶 结性差、黏聚力低，表现为强度低、易破坏( 图 1) 。

1.2 弱胶结泥岩破坏力学分析

由试验测得，泥岩单轴抗压强度为16.3~21.2MPa，抗拉强度为1.2~1.8MPa，黏聚力为3.3~ 5.5MPa，内摩擦角为24°~31°，为弱胶结软岩。

西部弱胶结泥岩与东部泥岩变形破坏差异直接决定支护方法的不同，两者应力-应变曲线与破坏 形态如图 2、图 3 所示。

2 弱胶结软岩煤巷顶板失稳机理

2.1 巷道工程概况

11302回风巷埋深500~530m，采用留顶煤掘进，煤层厚度4.2~6.5m，平均 4.87m，倾角平均3°，顶板泥岩厚度 12~18m，底板泥岩厚度9.6~14.7m。该区域水平主应力占主导，最大水平主应力达27MPa，垂直应力约为12 MPa。巷道净断面为5.0 m×3.6 m，采用锚杆、锚索联合支护，如图5所示，顶板及两帮锚杆均采用ø20mm×2.4 m 螺纹钢锚杆，顶板间排距0.7m×0.9m，两帮间排距0.8 m×0.9m，锚固长度约0.8 m;顶板锚索规格ø21.6 mm×7.3m，锚索间排距为1.5m×0.9 m，3-3-3 布置。

2.2 巷道围岩变形破坏特征

11302回风巷掘进一段时间后顶板整体性下沉、底板鼓起、两帮局部破坏，锚杆、锚索出现破断失效，如图 6、图 7 所示。

2.3 巷道顶板破坏失稳力学机制

巷道围岩变形破坏是由围岩特性、应力环境及支护3个方面共同决定的。当巷道掘进后，围岩受力由三轴转变为两轴受力状态，如图10所示，顶板位置原承受的垂直应力σ0v向两帮转移，两帮垂直应力明显增大。锚固支护后，通过锚固预紧力施加至 下位顶板岩层的支护应力为σvs，锚固顶板下表面应力由0增加至σvs，上表面应力增加至σ2v，水平应力变为σ2H1，其应力状态变为三向，其抗变形破坏破断 能力得到一定的提升。锚固支护预紧力越高，其提供的支护应力σvs越大，顶板等效围压越大，锚杆顶板强度越高，其在水平作用力作用下越不容易破坏失稳。

3 弱胶结软岩锚固支护方法

3.1 锚固支护基本力学作用

锚杆通过挤压提升其加固范围内岩层等效黏聚力;而锚索在进一步提升等效黏聚力的同时，最重要的是对其支护范围内围岩提供强支护应力。

3.2 高预紧力下锚杆-围岩变形协同控制机理

在满足支护强度的前提下，锚杆与锚索联合支护时，通过提高锚杆(锚索)预紧力使其性能得到最佳发挥;同时，锚杆、锚索变形应与顶板下沉量相适应，避免锚杆或锚索因伸长量不足而失效。

3.3 基于高预紧的锚杆-围岩形变协同控制设计方法

4 现场试验

4.1 11302 回风巷新掘区域支护参数

经验算，11302 回风巷原方案支护强度满足要求。因此，进行高预紧力下锚杆-锚索-围岩变形协同设计。

4.2 应用效果

在该巷道掘进过程中紧跟掘进工作面布置 3 个 测区，测区间距 100 m，每测区内布置锚杆( 索) 受力 与顶板离层监测点，如图 14 所示，监测结果如图 15所示。

5 结论

1)弱胶结泥岩黏土矿物含量高，内部微裂隙多，造成其强度低、黏聚力低、易碎胀。锚杆支护作用体现在提高锚杆加固范围内岩层等效黏聚力，锚索支护则强调对其支护范围内岩层提供较强的支护 应力，两者共同作用提升围岩抗破断能力。

2)弱胶结泥岩特性、高水平应力及低锚杆(锚索)预紧力等因素综合作用，导致弱胶结软岩顶板易发生整体性下沉，内部破裂严重，破裂范围最大达4.0m，尤其是煤岩界面破裂剪胀使部分锚杆-锚索 破断失效，加剧顶板破裂下沉。

3)高预紧力下锚杆-围岩变形协同控制原理是指在支护强度满足的前提下，通过提高锚杆(锚索)预紧力使其性能得到最佳发挥的同时，锚杆(锚索)变形与顶板下沉相适应，避免锚杆或锚索因伸长量不足而失效。

4)使用高预紧力下锚杆-围岩变形协同控制方法，锚杆-锚索支护间排距保持不变，锚索长度增加至8.3m，锚杆、锚索预紧力分别提高至60、250kN，应用结果表明设计后的支护参数对巷道顶板控制效果较好，达到预期。

引用格式

谭云亮，于凤海，马成甫，等.弱胶结软岩煤巷锚杆索-围岩变形协同控制方法研究[J].煤炭科学技术，2021， 49(1):198-207.

TAN Yunliang，YU Fenghai，MA Chengfu，et al.Research on collabration control method of bolt-cable-surrounding rock defor mation in weakly cemented soft rock coal roadway[J].Coal Science and Technology，2021，49(1):198- 207.

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