深部高应力巷道让压支护的应用及安全评价

倪海明

（山东科技大学，山东 青岛 266590）

随着浅部煤炭资源的枯竭，煤矿开采深度日益变大，超千米深的煤矿逐渐成为开采主体，伴随着深度的增加，深井巷道的应力场以及变形特征越来越复杂，超千米深井巷道应力场的特点是开巷前围岩处于高地应力状态，而且构造应力场复杂。开巷后围岩中出现很高的集中应力和偏应力，引起围岩变形特征发生显著变化。围岩变形由脆性转变为塑性，围岩流变性、扩容性突出[1-2]，超千米深井巷道的稳定性问题尤为突出，对围岩的安全评价尤为重要。

康红普对新汶矿区深井巷道进行观测及支护研究，发现新汶矿区深井巷道最大、最小水平应力差值较大，围岩强度沿不同深度波动很大，并提出2种适合于超千米深井岩巷的支护方式[3]。赵家巍针对海石湾煤矿深井软岩巷道支护困难的问题，依据围岩强度强化理论及能量平衡理论对其进行力学分析，采用数值模拟和工业性试验的方法，提出高强预应力均衡让压围岩控制思路，并且通过工业性试验表明此种围岩控制思路能有效提高支护系统的可靠性[4]。韩立军针对煤巷锚网支护系统安全性较难评价的问题，提出了“监测数据—围岩参数反分析—警戒值确定—预测分析—系统评价”的成套评价理论与方法，构建了煤巷锚网支护安全评价系统，实现了实时掌握巷道围岩和支护结构的稳定状态，提高了煤巷锚网支护的信息化施工与管理水平[5]。

山东安居煤矿-1155 水平轨道大巷长期受到高地应力的作用及采动影响，对巷道的稳定性造成了消极影响，增加了巷道失稳的风险，使得深部高应力巷道围岩控制更加困难，因此，针对深部复杂应力巷道支护难题，提出合理有效地支护对策，为该类工程提供参考，具有重要的理论价值和现实意义。

1 概 况

-1150 水平轨道大巷掘进工作面标高-1 148—-1 150 m，位于南翼浅部采区，南翼浅部采区对应地面位置基本位于济鱼公路东约700 m，大魏庄、刘街、谷庄连线以东南，京杭运河东1 000 m 以西，付村、新吴村以北；济鱼公路、滨湖路、京杭运河近南北向贯穿采区，龙拱河、南二环横穿采区东西。地面标高为+35 m。工作面附近200 m 范围内无采空区，因此，不存在老空水威胁。北部为二水平水仓、翻罐笼硐室绕道等。其大巷平面如图1所示。

图1 - 1150 水平轨道大巷平面示意Fig.1 -1150 level track roadway

2 支护设计

深部巷道围岩变形严重，如果在开挖后马上进行刚性支护，则支护体将承受较大的围岩初期变形压力，从而导致支护体被压坏。因此，为使支护体不会由于巷道掘进期间因承受过大的变形而破坏，以保证软岩巷道围岩的最终稳定，支护体必须具有让压可缩的功能。

2.1 让压锚杆结构

让压锚杆是针对深井、软岩和受动压影响的大变形巷道而专门设计的一种可延伸锚杆，如图2 所示。该锚杆由高强杆体、让压管、托盘以及螺母等部件组成。与普通的锚杆体系相比，让压锚杆在锚杆尾部增加了一个具有让压功能的让压管。巷道围岩所受压力较大时，让压管的变形可使锚杆能够适应巷道围岩的变形。新型让压锚杆结构简单，安装方便，成本较低，锚杆具有恒阻高、伸缩量可调、延伸量较大、支护强度高等特点。

让压管由无缝钢管制成，根据深井软岩等大变形巷道围岩条件的不同，让压管可以设计制造成不同的规格以适应不同的围岩变形和压力。

图2 让压锚杆结构Fig.2 Structure of bolt pressure

2.2 巷道断面支护的确定

巷道断面为直墙半圆拱形巷道，净宽4 800 mm，净高为3 800 mm，净断面积为15.76 m2；荒宽5 000 mm，荒高4 000 mm，掘进断面积为17.31 m2。巷道喷厚100 mm，强度等级C20。巷道进行铺底，铺底厚度100 mm。支护断面如图3 所示。

图3 支护断面示意Fig.3 Section of support

2.2.1 拱部支护

锚杆：每排11 根，采用φ20 mm×2 400 mm高强无纵肋螺纹钢式树脂锚杆，间排距800 mm×800 mm；锚杆螺母安装扭矩不低于200 N·m。

锚杆锚固剂：每根锚杆采用1 支MSK2550 树脂锚固剂和1 支MSCK2535 树脂锚固剂锚固，拉拔力不低于120 kN，安装让压管，单泡，让压载荷180 kN。

网片：采用规格为2 000 mm×1 000 mm 经纬网。

钢筋梯：规格为φ14 mm×4 900 mm（7 个眼）、φ14 mm×1 700 mm（3 个眼）。

锚索：拱顶正中布置1 根锚索，两肩窝各1根，规格φ17.8 mm×6 500 mm，锚索与锚杆错排布置，锚索预紧力不低于120 kN。

锚索锚固剂：每根锚索采用1 支MSCK2535 及2 支MSK2550 树脂锚固剂端头锚固。

恒阻装置：恒阻装置直径88 mm，长度500 mm，让压距离300 mm，让压吨位350 kN。

恒阻器扩孔：采用φ95 mm 的钻头扩孔。

2.2.2 两帮支护

锚杆：每排6 根（两帮每侧各3 根），采用φ20 mm×2 400 mm 高强无纵肋螺纹钢式树脂锚杆，间排距800 mm×800 mm；锚杆螺母安装扭矩不低于160 N·m，安装让压管，单泡，让压载荷180 kN。

锚杆锚固剂：每根锚杆采用1 支MSK2550 树脂锚固剂和1 支MSCK2535 树脂锚固剂锚固，拉拔力不低于80 kN；帮部锚杆外用配套铁托盘、螺母紧固。

网片：采用2 500 mm×1 000 mm 菱形网。

钢筋梯：规格为φ14 mm×1 700 mm（3 个眼）、φ14 mm×850mm（2 个眼） 搭接，与拱部钢筋梯搭接使用。

2.2.3 喷射混凝土

强度等级为C20，喷厚120 mm。

3 工程实践

通过监测-1150 水平轨道大巷锚杆锚索的受力情况，评价巷道围岩的稳定性与安全性，锚杆支护设计是否合理。在巷道左帮底角及帮部位置分别设置1、2 号锚杆测力计，在巷道正顶和右拱部位置设置3、4 号锚索测力计，测力计具体布置如图4所示（画圈位置即测力计）。

图4 测力计布置示意Fig.4 Dynamometer layout

图5 为该断面锚杆锚索受力监测图，-1150 水平大巷整个断面的受力分布规律如下。

巷道底板位置锚杆受力最小，帮部次之，正顶部锚索受力最大。经过60 d 连续监测，锚杆锚索受力趋于稳定。左帮锚杆受力达到93 kN，φ20 mm×2 400 mm 高强无纵肋螺纹钢式树脂锚杆，锚杆的屈服载荷≥157 kN，破断载荷≥210 kN，锚杆受力尚未达到屈服强度；锚索的破断载荷355 kN，经过60 d 监测，正顶锚索受力最大为201 kN，远小于破断强度，锚杆锚索受力尚未达到极限值，满足要求。

图5 锚杆锚索整体受力监测Fig.5 Overall stress monitoring of anchor cable

4 安全评价

支持向量机（SVM） 是一种解决维数高、样本小和非线性等问题的学习方法，可以处理多信息、多层次的复杂问题，但需要对其建立一个科学的指标体系供其学习和评价。对于巷道围岩，是多种因素通过不同方式影响其稳定性，结合安居煤矿-1150 水平轨道大巷实际情况和安全生产的要素做出图6 的评价指标体系。

图6 评价指标体系Fig.6 Evaluation index system

4.1 建立模型

通过使支持向量机的学习训练，建立评级模型，对模型进行测试，比对测试结果，如果不正确，则加强学习训练。建模过程：将收集的数据随机分成训练样本和预测样本，删除错误数据，输入训练样本，评价结果作为输出，对其机械训练，然后建立模型。将测试样本放入刚建立的评价模型中，得到预测结果，与实际结果进行对比分析，检查模型的预测情况。评价结果采用评价中常用的5级评分标准，将评价结果划分为5 个等级，分别为1、2、3、4、5，定义为优、良、合格、差、危险。

实现所需工具为matlab、训练样本、测试样本。

支持向量机运行环境为matlab r2017a 版本，libsvm3.1 版本扩展包。

4.2 围岩稳定性评价

把待评价的项目输入训练好的支持向量机程序中，经过计算，输出结果为2，围岩处于稳定状态。样本指标得分见表1。

5 结 语

针对-1150 水平轨道大巷复杂的应力环境，提出让压支护策略，并对锚杆锚索受力情况进行监测。监测结果表明，锚杆锚索受力尚未达到破断强度，让压管未发生大变形，整体效果较好；对巷道围岩的稳定性进行安全评价，评价结果显示围岩处于稳定状况。

表1 样本指标得分Table 1 Score of sample indicators