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摘要：潘三矿西翼-810 m皮带机大巷（西二～西三段）受上下采空区的影响，其所处的工程条件复杂，巷道支护困难。对此，建立理论模型，对巷道围岩力学状态进行分析，得出围岩应力和损伤破裂半径的表达式。分析了在上下采空区的影响下，岩体卸压扰动和强度劣化对塑性损伤区及松动破裂区半径的影响。提出了锚网+锚索桁架+喷浆+注浆锚索注浆的复合支护技术，为上下采空区影响下的巷道提供一些支护指导。
关键词：巷道围岩；损伤破裂；支护方案
中图分类号：TD322文献标志码：A[WT] 文章编号：1672-1098（2014）02-0049-06随着煤炭资源的开采强度不断加大，煤矿巷道工程量也随之增加，而其处的工程地质条件也变得更加复杂。由于巷道顶板上覆或底板下伏煤层的开采，出现的采空区将影响巷道围岩变形破坏的发展[1-4]，围岩的受力特征也与不受采空区影响的巷道围岩有所差异。潘三矿西翼-810 m皮带机大巷（西二～西三段），由于原生岩体受到上覆1482（3）工作面和下伏14102（1）工作面的多次采动影响，表现出围岩完整性差和围岩应力多次调整等特点，支护难度大。上下采空区影响下的巷道，如果支护方法不当，将严重影响矿井的正常生产运输，给煤矿的安全生产带来了隐患。因此，有必要对其进行研究。
1工程背景
潘三矿西翼-810 m皮带机大巷与上覆和下伏工作面的相对位置关系如图1所示。-810 m皮带机大巷受上下煤层多次采动影响，其围岩完整性差且围岩应力多次调整。虽然13煤层和11-2煤层之间的岩体其岩块本身强度较高，但是经过多次采动以后，围岩节理裂隙更加发育、围岩破碎，在高应力作用下，产生较大的围岩松动圈，巷道难以支护。另外，受上下工作面多次采动影响，巷道开挖体附近的原岩应力并不是最初状态下的原岩应力，而是受到上下工作面开采影响后的重新分布后的围岩应力。因此，该大巷处于围岩力学性能发生劣化和原岩应力受开采扰动影响的状态。
2 理论分析
2.1巷道的力学模型
建立力学模型（见图2），对受上下采空区影响的巷道进行围岩力学理论分析，假设巷道围岩为均质各向同性介质。所受原岩应力为p0，是受上下采空区影响后作用在巷道开挖体附近的围岩的远场应力；巷道半径为R0，巷道开挖后，在围岩压力作用下，围岩发生损伤破裂，产生的塑性损伤区半径为Rd，松动破裂区半径为Rb。
2.2 岩石本构模型的选取
潘三矿西翼-810 m皮带机大巷砂质泥岩的单轴压缩应力-应变曲线（见图3）可分为三个阶段：O’O段为岩石初始裂隙压密阶段或初始损伤阶段；OA段为近线性的弹性变形阶段；AB段为峰值应力后的劣化损伤阶段，岩石承载力随着变形的增大而迅速下降，但并不降到零，说明破裂的围岩仍然具有一定的承载能力。
实测单轴压缩应力-应变曲线岩石在外力作用下，由于内部缺陷的产生和发展而发生不可逆的材料力学性能的劣化损伤，当这种损伤累积到一定程度时，岩石产生宏观裂纹而发生破坏。如果忽略O’O段的初始裂隙压密阶段，则砂质泥岩的实测应力-应变曲线可用Bui弹塑性损伤本构模型进行描述，在单轴压缩情况下，Bui损伤本构模型应力-应变曲线简化为双线性模型（见图4）。
2.3基本方程
当巷道围岩应力超出围岩的极限强度后， 围岩出现损伤， 内部裂隙不断产生和发展， 使得围岩的有效承载面积减小， 损伤导致围岩出现不可逆的承载能力下降， 根据损伤力学应变等效性假说[7]，因此，对于塑性损伤区的围岩，所受到的应力应该是有效应力，）3） 松动破裂区分析。当巷道围岩损伤发展到一定程度时，出现松动破裂，此时的围岩其强度处于残余值，对应岩石单轴应力-应变曲线的残余强度状态。采用峰值强度与残余强度之间的关系表示围岩的损伤变量。定义松动破裂区围岩的损伤变量为DB
2.5 塑性损伤区松动破裂区范围确定
通过巷道围岩塑性损伤范围和松动破裂范围来分析巷道围岩稳定性，是将巷道开挖后围岩应力作用在围岩上产生的后果，作为单一的综合指标进行判定。这个综合指标包含有原岩应力、围岩性质等影响，综合了多种因素。用塑性损伤范围和松动破裂范围，作为判定工程围岩的指标是较为理想的选择。为此，通过前述理论分析所得的结果来建立塑性损伤区和松动破裂区半径的表达式。在巷道围岩松动破裂区内，认为围岩损伤程度相同，均为
巷道围岩损伤破裂分析根据岩石力学测试结果可知，
4 巷道支护方案设计根据潘三矿西翼-810 m皮带机大巷的观测分析，变形破坏较小段区域符合围岩中等稳定区域，掘进阶段矿压显现不太强烈、底鼓不太明显的区段，设计的永久支护采用锚网+锚索桁架+喷浆+注浆锚索注浆复合支护，其工序为：① 金属网+锚杆+喷砼； ② 锚索-注浆锚索桁架+复喷浆； ③ 滞后注浆。
4.1 金属网+锚杆+喷砼施工时，紧跟迎头。支护参数如图7所示，锚杆间排距700 mm×700 mm，锚杆规格型号为M24-Φ22/2500 mm，材质为左旋无纵筋螺纹钢式树脂锚杆金属杆体，锚杆采用200 mm×200 mm新型大托盘，每根顶锚杆采用2卷Z2355型树脂药卷加长锚固（帮锚杆采用2卷Z2850型树脂药卷）；钢筋网为Φ6-800 mm×2200 mm，网孔为100 mm×100 mm，网间搭茬100 mm，并间隔200 mm用16#铁丝双股进行连接。水泥为P.S 32.5级水泥，黄砂粒径为大于0.35 mm中粗砂，石子粒径为5～15 mm，浆料配比按试验室的配比单，采用潮式拌料，料配比为水泥∶黄砂∶石子∶速凝剂=1∶2∶2∶0.04，水灰比为0.55∶1，初喷砼厚50 mm，喷射砼强度为C20。
4.2 锚索-注浆锚索桁架+复喷浆滞后迎头40 m左右在耙矸机后进行架设锚索-注浆锚索桁架（见图8），7路锚索，锚索间排距1400 mm×1400 mm，锚索采用3 200 mmΩ梁+300 mmU29钢压平片作为托盘，Ω梁沿走向布置，每根长3 200 mm。普通锚索和注浆锚索交叉布置。普通锚索规格为Φ21.8 mm×7300 mm，每根锚索使用3节Z2355树脂药卷锚固，锚索破断载荷≮240-260 kN，预紧力120 kN（37.5 MPa），外露长度250～350 mm。注浆锚索采用Φ22 mm×6300 mm锚索，每根锚索使用3节Z2355树脂药卷锚固，锚索孔采用Φ28 mm或者Φ30 mm钻头，每孔采用3节Z2355型中速树脂药卷加长锚固，要求张拉至100 kN，且各个锚索的预紧力应基本保持均匀一致，实现同步承载。注浆锚索长度可按式
4.3 滞后注浆
可滞后迎头70～100 m一次注浆，集中对一定范围的注浆锚索一次完成锚注，可通过试注逐步提高注浆终了压力，在2.0～3 MPa的基础上先加大到5.0 MPa，试注3～5根锚索，如无异常，则进一步提高至注浆7.0 MPa，再试注3～5根锚索，如无异常出现，则以后注浆终了压力均按7.0 MPa执行。设备、管路条件允许时，可进一步提高到8.0 MPa。
5结语
在受上下采空区影响的岩体中开掘巷道，其受力特点复杂，且由于上覆和下伏煤层先前的开采影响，巷道顶底板岩层裂隙发育，即使岩块强度较高，但由于煤层开采的影响，巷道围岩体也表现出软弱破碎的特点，使得巷道在常规支护手段下不能很好地满足安全使用的要求。本文通过理论分析了潘三矿西翼-810 m皮带机大巷（西二～西三段）围岩应力和塑性损伤及松动破裂范围的特点。提出了锚网+锚索桁架+喷浆+注浆锚索注浆的复合支护技术，以期为潘三矿西翼-810m皮带机大巷（西二～西三段）提供一些支护指导。
参考文献：
[1]张辉，刘少伟，郑新旺.近距离煤层采空区下回采巷道位置优化与控制[J].河南理工大学学报：自然科学版，2010，29（2）：157-161.
[2]沈运才.近距离采空区下松散煤层巷道支护技术研究[D].徐州：中国矿业大学，2008.[3]金桃，陈阳，许磊.层间距对采空区下巷道稳定性影响分析[J].煤矿安全，2011，42（7）：161-164.
[4]康钦荣.缓斜煤层群采动影响下底板软岩巷道围岩稳定性控制[D].重庆：重庆大学，2011.
[5]卞康，肖明，刘会波.考虑脆性损伤和渗流的圆形水工隧洞解析解[J].岩土力学，2012，32（1）：209-214.
[6]李忠华，官福海，潘一山.基于损伤理论的圆形巷道围岩应力场分析[J].岩土力学，2004，25（S2）：160-163.
[7]余寿文，冯西桥.损伤力学[M].北京：清华大学出版社，1997：10-15.
（责任编辑：何学华，吴晓红）
关键词：巷道围岩；损伤破裂；支护方案
中图分类号：TD322文献标志码：A[WT] 文章编号：1672-1098（2014）02-0049-06随着煤炭资源的开采强度不断加大，煤矿巷道工程量也随之增加，而其处的工程地质条件也变得更加复杂。由于巷道顶板上覆或底板下伏煤层的开采，出现的采空区将影响巷道围岩变形破坏的发展[1-4]，围岩的受力特征也与不受采空区影响的巷道围岩有所差异。潘三矿西翼-810 m皮带机大巷（西二～西三段），由于原生岩体受到上覆1482（3）工作面和下伏14102（1）工作面的多次采动影响，表现出围岩完整性差和围岩应力多次调整等特点，支护难度大。上下采空区影响下的巷道，如果支护方法不当，将严重影响矿井的正常生产运输，给煤矿的安全生产带来了隐患。因此，有必要对其进行研究。
1工程背景
潘三矿西翼-810 m皮带机大巷与上覆和下伏工作面的相对位置关系如图1所示。-810 m皮带机大巷受上下煤层多次采动影响，其围岩完整性差且围岩应力多次调整。虽然13煤层和11-2煤层之间的岩体其岩块本身强度较高，但是经过多次采动以后，围岩节理裂隙更加发育、围岩破碎，在高应力作用下，产生较大的围岩松动圈，巷道难以支护。另外，受上下工作面多次采动影响，巷道开挖体附近的原岩应力并不是最初状态下的原岩应力，而是受到上下工作面开采影响后的重新分布后的围岩应力。因此，该大巷处于围岩力学性能发生劣化和原岩应力受开采扰动影响的状态。
2 理论分析
2.1巷道的力学模型
建立力学模型（见图2），对受上下采空区影响的巷道进行围岩力学理论分析，假设巷道围岩为均质各向同性介质。所受原岩应力为p0，是受上下采空区影响后作用在巷道开挖体附近的围岩的远场应力；巷道半径为R0，巷道开挖后，在围岩压力作用下，围岩发生损伤破裂，产生的塑性损伤区半径为Rd，松动破裂区半径为Rb。
2.2 岩石本构模型的选取
潘三矿西翼-810 m皮带机大巷砂质泥岩的单轴压缩应力-应变曲线（见图3）可分为三个阶段：O’O段为岩石初始裂隙压密阶段或初始损伤阶段；OA段为近线性的弹性变形阶段；AB段为峰值应力后的劣化损伤阶段，岩石承载力随着变形的增大而迅速下降，但并不降到零，说明破裂的围岩仍然具有一定的承载能力。
实测单轴压缩应力-应变曲线岩石在外力作用下，由于内部缺陷的产生和发展而发生不可逆的材料力学性能的劣化损伤，当这种损伤累积到一定程度时，岩石产生宏观裂纹而发生破坏。如果忽略O’O段的初始裂隙压密阶段，则砂质泥岩的实测应力-应变曲线可用Bui弹塑性损伤本构模型进行描述，在单轴压缩情况下，Bui损伤本构模型应力-应变曲线简化为双线性模型（见图4）。
2.3基本方程
当巷道围岩应力超出围岩的极限强度后， 围岩出现损伤， 内部裂隙不断产生和发展， 使得围岩的有效承载面积减小， 损伤导致围岩出现不可逆的承载能力下降， 根据损伤力学应变等效性假说[7]，因此，对于塑性损伤区的围岩，所受到的应力应该是有效应力，）3） 松动破裂区分析。当巷道围岩损伤发展到一定程度时，出现松动破裂，此时的围岩其强度处于残余值，对应岩石单轴应力-应变曲线的残余强度状态。采用峰值强度与残余强度之间的关系表示围岩的损伤变量。定义松动破裂区围岩的损伤变量为DB
2.5 塑性损伤区松动破裂区范围确定
通过巷道围岩塑性损伤范围和松动破裂范围来分析巷道围岩稳定性，是将巷道开挖后围岩应力作用在围岩上产生的后果，作为单一的综合指标进行判定。这个综合指标包含有原岩应力、围岩性质等影响，综合了多种因素。用塑性损伤范围和松动破裂范围，作为判定工程围岩的指标是较为理想的选择。为此，通过前述理论分析所得的结果来建立塑性损伤区和松动破裂区半径的表达式。在巷道围岩松动破裂区内，认为围岩损伤程度相同，均为
巷道围岩损伤破裂分析根据岩石力学测试结果可知，
4 巷道支护方案设计根据潘三矿西翼-810 m皮带机大巷的观测分析，变形破坏较小段区域符合围岩中等稳定区域，掘进阶段矿压显现不太强烈、底鼓不太明显的区段，设计的永久支护采用锚网+锚索桁架+喷浆+注浆锚索注浆复合支护，其工序为：① 金属网+锚杆+喷砼； ② 锚索-注浆锚索桁架+复喷浆； ③ 滞后注浆。
4.1 金属网+锚杆+喷砼施工时，紧跟迎头。支护参数如图7所示，锚杆间排距700 mm×700 mm，锚杆规格型号为M24-Φ22/2500 mm，材质为左旋无纵筋螺纹钢式树脂锚杆金属杆体，锚杆采用200 mm×200 mm新型大托盘，每根顶锚杆采用2卷Z2355型树脂药卷加长锚固（帮锚杆采用2卷Z2850型树脂药卷）；钢筋网为Φ6-800 mm×2200 mm，网孔为100 mm×100 mm，网间搭茬100 mm，并间隔200 mm用16#铁丝双股进行连接。水泥为P.S 32.5级水泥，黄砂粒径为大于0.35 mm中粗砂，石子粒径为5～15 mm，浆料配比按试验室的配比单，采用潮式拌料，料配比为水泥∶黄砂∶石子∶速凝剂=1∶2∶2∶0.04，水灰比为0.55∶1，初喷砼厚50 mm，喷射砼强度为C20。
4.2 锚索-注浆锚索桁架+复喷浆滞后迎头40 m左右在耙矸机后进行架设锚索-注浆锚索桁架（见图8），7路锚索，锚索间排距1400 mm×1400 mm，锚索采用3 200 mmΩ梁+300 mmU29钢压平片作为托盘，Ω梁沿走向布置，每根长3 200 mm。普通锚索和注浆锚索交叉布置。普通锚索规格为Φ21.8 mm×7300 mm，每根锚索使用3节Z2355树脂药卷锚固，锚索破断载荷≮240-260 kN，预紧力120 kN（37.5 MPa），外露长度250～350 mm。注浆锚索采用Φ22 mm×6300 mm锚索，每根锚索使用3节Z2355树脂药卷锚固，锚索孔采用Φ28 mm或者Φ30 mm钻头，每孔采用3节Z2355型中速树脂药卷加长锚固，要求张拉至100 kN，且各个锚索的预紧力应基本保持均匀一致，实现同步承载。注浆锚索长度可按式
4.3 滞后注浆
可滞后迎头70～100 m一次注浆，集中对一定范围的注浆锚索一次完成锚注，可通过试注逐步提高注浆终了压力，在2.0～3 MPa的基础上先加大到5.0 MPa，试注3～5根锚索，如无异常，则进一步提高至注浆7.0 MPa，再试注3～5根锚索，如无异常出现，则以后注浆终了压力均按7.0 MPa执行。设备、管路条件允许时，可进一步提高到8.0 MPa。
5结语
在受上下采空区影响的岩体中开掘巷道，其受力特点复杂，且由于上覆和下伏煤层先前的开采影响，巷道顶底板岩层裂隙发育，即使岩块强度较高，但由于煤层开采的影响，巷道围岩体也表现出软弱破碎的特点，使得巷道在常规支护手段下不能很好地满足安全使用的要求。本文通过理论分析了潘三矿西翼-810 m皮带机大巷（西二～西三段）围岩应力和塑性损伤及松动破裂范围的特点。提出了锚网+锚索桁架+喷浆+注浆锚索注浆的复合支护技术，以期为潘三矿西翼-810m皮带机大巷（西二～西三段）提供一些支护指导。
参考文献：
[1]张辉，刘少伟，郑新旺.近距离煤层采空区下回采巷道位置优化与控制[J].河南理工大学学报：自然科学版，2010，29（2）：157-161.
[2]沈运才.近距离采空区下松散煤层巷道支护技术研究[D].徐州：中国矿业大学，2008.[3]金桃，陈阳，许磊.层间距对采空区下巷道稳定性影响分析[J].煤矿安全，2011，42（7）：161-164.
[4]康钦荣.缓斜煤层群采动影响下底板软岩巷道围岩稳定性控制[D].重庆：重庆大学，2011.
[5]卞康，肖明，刘会波.考虑脆性损伤和渗流的圆形水工隧洞解析解[J].岩土力学，2012，32（1）：209-214.
[6]李忠华，官福海，潘一山.基于损伤理论的圆形巷道围岩应力场分析[J].岩土力学，2004，25（S2）：160-163.
[7]余寿文，冯西桥.损伤力学[M].北京：清华大学出版社，1997：10-15.
（责任编辑：何学华，吴晓红）