浅析煤矿巷道锚网支护机理及围岩变形规律

喻丕龙 折敏

摘 要：近些年浅部煤炭资源逐渐开采完毕，深入化的煤矿开采工程已经成为必然。文章以煤矿工程围岩变形问题作为研究对象，探究锚网支护的耦合效果和巷道锚网支护下围岩的变形规律，计算出护网受力值，确定锚网支护强度耦合标准。在此基础上，分析不同方案中巷道塑性和应力的分布情况，经研究使巷道围岩变形情况得到改善，给深部破碎巷道提供有力的技术支持。

关键词：锚网支护;巷道围岩;变形机理

引言：

随着矿井开采面的扩张和开采深度的加大，巷道的地质力学环境受应力场的影响更加复杂，巷道在开挖后会保持一段塑性变形的时间。现阶段，传统的普通支护方式已经无法迎合巷道施工的正常需求。煤矿地质条件不同进而影响了矿井锚网支护的机理，为发挥出锚网支护作用，减少巷道变形情况的发生，要综合分析支护技术和围岩变形的规律，这样才能提升煤矿工程的经济效益。

一、锚网强度耦合

本文以某生产规模为90万t/a，井田为2Km，井田面积为9.4Km2的矿井作为研究目标，井田包含两组含煤地层，两组煤层细分为1号、2号、3号、9号煤层，1号煤层为可采煤层，2号煤层为稳定可采煤层，第一组煤层的平均厚度为2m，含煤系数为6%。第二组有9层煤，其中3号和9号煤层是稳定可采煤层，其余为不可采煤层，这一组煤层的平均厚度为3.2m，含煤系数为3%。经实际探究，2号煤层埋深600m，煤层的厚度设置为1～3m。

巷道围岩控制技术在使用过程中要将护网的承载力分散到锚杆上，在锚杆预紧力、直径、长度、强度等规格增大的情况下，锚杆的支护范围随之扩大，但还存在一定锚空区，因此需要护网来支撑锚空区域的围岩。如果锚空区域的围岩破损，会增加网片的负荷，网片在增加荷载后会产生网兜的情况。结合静力平衡原理，围岩接触的网丝和网片承受的荷载力能够保持竖直方向合力一致。

结合有关计算方法得出，损坏岩石的重力、网丝的弹性模量以及横截面积都会影响金属网下沉角。利用扩大网丝的横截面积和弹性模量的方法来提高网片的保护性能。在出现金属网规格和锚杆距离保持一致时，网片所受到的荷载力达到最大值[1]。

二、锚网支护下围岩变形规律

（一）建立模型

探究采用锚网支护技术围岩变形的规律，建模可以使用FLAC3D数值模拟软件，建立模型的尺寸为42m×42m×50m。巷道围岩的具体参数是：内摩擦角30°，黏聚力8×105MPa，弹性模量为2.8×104MPa，泊松比设置为0.3，抗压强度55.5MPa。

工程采取三种模拟方案，分别是方案1：没有采用支护方法;方案2：采用锚杆+菱形金属网支护方法;方案3：采用锚杆+格宾金属网支护方法。

（二）模拟分析方法

经实验表明方案1巷道不设置支护的情况下，四个角会出现较大的塑性范围，呈蝴蝶形状;方案2锚杆+菱形金属网支护的方式巷道塑性范围仍然很大，但比方案1的范围小一些，缩小约19%，呈螃蟹形状。由此可见锚杆+菱形支护可以起到一定支护作用，但没有发挥出金属网的支护效果;方案3锚杆+格宾金属网支护方式下，巷道的塑性范围比方案1缩小了10%，并和方案2塑性区域形状相同。

结合以上分析结果，采用锚网支护方式能够缩小围岩自身塑性的面积，降低巷道受到的围岩应力，并减少了塑性区域的范围，发挥出有效的支护作用。而采用锚杆+格宾金属网支护是这三种方案中效果最佳的一种。

（三）巷道围岩应力分布情况

不同条件下巷道的水平应力不同，采取方案1时，巷道的应力集中在顶板上，其应力的峰值能够达到5.7MPa，巷道两侧最大的水平应力为1.9MPa，顶底板的水平应力为1.6MPa;方案2基础条件下利用支护网，巷道围岩的压力会随之减小，顶板最大应力为4.3MPa，巷道两侧水平应力为0.9MPa，顶底板受到的最大水平应力为0.8MPa。由此表明采用锚网支护的方法能够降低巷道围岩产生的应力，在利用锚杆+格宾金属网支护方法后，巷道两侧受到的水平应力以及顶底板应力都明显降低[2]。

（四）巷道围岩位移情况

采用不同支护方案，巷道会出现不同程度水平位移现象，经研究结果显示，方案1无支护情况下，巷道两侧最大形变量能够达到420mm;方案2中巷道正受到锚杆+菱形金属网的支护，其最大变形量为280mm;方案3巷道在锚杆+格賓金属网支护下最大变形量为130mm，由此可见采用锚网支护的方式能够有效改善巷道两侧出现变形或顶底板出现变形问题。

三、巷道围岩变形机理和返修支护方案

（一）巷道围岩性质

根据该工程项目所处的地理环境对围岩成分做出详细分析，巷道围岩中包含了大量云母等黏土矿物，这类矿物在遇水会出现泥化、软化的情况，给围岩控制带来一定影响。

（二）巷道围岩松动圈

为了体现巷道围岩设计的作用，需要明确原支护设计中存在的问题。要对该工程项目进行围岩动圈测试。据结果显示，巷道两帮、底板和顶板尾围岩都存在一定程度变形，原锚网喷支护的方式已经无法控制围岩产生变形和破坏。

（三）巷道变形破坏机理

1.巷道埋深过大

该工程巷道平均埋深超过720m，已经属于深部开采范围，对现场进行地应力测试能发现水平主应力的应力值最大，能够达到28.9MPa，垂直应力能够达到19.8MPa。在这种应力环境下即便巷道围岩足够坚硬，但还会出现工程软岩情况，最终形成巷道大面积破坏问题。

2.原支护设计存在问题

该工程原支护方式是在巷道底板位置用混凝土进行封底，并没有采用其他的强化方法，导致巷道底板产生大量高应力，在其底部能够看到鼓起，增加巷道两边移近。

3.巷道围岩中存在较多的软岩

分析巷道中围岩的主要成分，了解到围岩中包含了云母和高岭石，根据工程实际情况显示，巷道两底角出现水体，影响了巷道的稳定结构。

（四）锚索支护注意事项

要掌握好巷道锚索的支护强度，控制锚杆的质量。如果对软岩石进行支护，需要加强锚固力和初锚力，进而降低煤矿开采阻力，提升其支护强度。此外，有的巷道锚索支护局部支护位置比较薄弱，这就要对锚索的支护方式进行改进，增大围岩表层的约束力，避免在支护过程因围岩破坏导致扩散程度变大的情况。

（五）返修支护方案

根据该工程巷道存在的变形问题和巷道主要用途，相关技术人员提出了锚网索+注浆返修支护方案，结合巷道基本条件来看，要延长原支护锚杆，这样更容易在浅部巷道形成“锚杆+巷道浅部围岩+金属网+喷浆层”的支护结构，在进行巷道返修后，需要把控好围岩变形问题和出现破坏的情况，发挥出浅层围岩的稳定作用。再采取增加长锚索的支护方法，让稳定围岩对浅层围岩进行悬吊，将浅层围岩悬吊在稳定围岩的下部，给锚索托盘施加一定预应力，这样更有利于浅层围岩的预紧压缩，进而将浅层围岩受到的单轴应力转化为三轴应力，增加浅部围岩受力极限。此外，在浅部低压力位置进行注浆工作，将出现的裂隙封堵上，形成“锚杆+围岩+浅部注浆”应力承载结构，在巷道浅部形成完整的支护，让其能够抵抗更高的应力，将应力峰值转移到稳定的围岩上，既保护浅层支护结构的稳定性，又降低围岩受地应力，开展良好的巷道支护工作[3]。

（六）返修支护效果

可以采用“十字交叉”方法观察巷道变形情况，掌握返修支护的实际效果。根据实际结果显示，返修支护方案后，巷道围岩整体结构更加稳定，两侧受到的应力和顶底板应力都明显降低，保证了巷道的正常使用。

总结：

综上所述，根据理论计算和数值分析得出，为提高锚网支护耦合强度，需要网片发挥出良好效果。采用锚网支护方式能够有效改善围岩本身存在的塑性，缩小塑性扩展范围，并且使用錨杆+格宾金属网的支护方法最佳。对巷道进行锚网支护，还能降低围岩产生的应力以及围岩出现变形的情况，巷道两帮所受到的应力和产生的变形量都会明显降低。

参考文献：

[1]高议民.煤矿巷道锚网支护机理及围岩变形规律分析[J].能源与环保，2021，43（01）：125-128.

[2]何俊.煤矿巷道围岩变形机理及支护控制对策研究[J].能源技术与管理，2020，45（03）：85-86+165.

[3]王伟，赵华全.浅析煤矿巷道锚索支护技术的应用[J].内蒙古煤炭经济，2020（07）：184.