大斷面巖巷掘進過程中變形的實測與分析

孟憲偉

(陽泉煤業集團和順新大地煤業有限公司，山西 晉中 032700)

巷道的開挖掘進過程也是巷道圍巖體中應力重新調整的過程，應力調整大小與巷道的賦存條件、巷道斷面的大小形狀、巷道圍巖體的巖性以及掘進施工工藝等因素相關。其中，巷道的圍巖特性是不可改變、無選擇余地的因素，其對巷道的穩定性影響巨大。在巷道掘進施工過程中，連續觀測巷道的變形量，并分析其變化規律，能夠為掘進巷道乃至整個礦井的支護方法選擇提供基本的依據。

本文就是在巖石巷道掘進過程中，連續地觀測掘進過程中巷道的表面位移，并分析總結其變化規律，為選擇技術上可行、經濟上合理的支護方法，保證巷道的穩定和礦井正常的生產安全，提供基本的依據。

1 巷道基本特征

施工觀測的巷道為陽泉煤業集團和順新大地煤業公司的集中軌道巷巖巷段，該巷道的基本情況如下:

1.1 巷道斷面特征

該巷道為新大地煤業公司的集中軌道巷巖巷段，巷道斷面為半圓拱形，巷道凈寬4.6 m、凈高3.9 m，S凈=15.7 m2，S掘=17.3 m2，位于該礦 －510 m 左右的位置;巷道的直接頂、直接底及煤層的f值均小于2.5;按圍巖松動圈分類法，屬于大松動圈(Ⅳ ～Ⅵ類);按圍巖變形量分類屬于Ⅳ～Ⅴ類。整個巷道處于軟弱巖層加煤層的地質條件下，且巷道圍巖長期處于流變、蠕變狀態，頂底板移近量較大，兩幫變形較為嚴重，返修率高，巷道斷面不能滿足生產需要，造成該礦的采掘接替緊張。

1.2 巷道圍巖、煤層特征

根據設計，集中軌道巷巖巷段自西總回聯巷W4點撥門施工，根據鉆孔及周邊巷道資料預計施工范圍內，地質條件如下:

1)構造情況:該處煤巖層產狀變化較大，施工范圍內基本為北北東向，傾角5°～16°。

2)煤層及巖性情況:預計撥門點處巷道底板距離15煤法距25 m，施工過程中巷道主要揭露巖性為:泥巖厚約8 m，灰色、塊狀、含植物化石碎片，局部較破碎。細砂巖厚約5 m，淺灰色、薄層狀、堅硬，含石英及暗色礦物，水平狀層理。

3)水文地質情況。

該區域水文地質條件簡單，主要為頂板砂巖裂隙水，預計在巷道施工過程中頂板有輕微淋滴水現象。

4)瓦斯地質情況。

根據補297孔瓦斯資料分析，該區域煤層瓦斯含量為 12.6 mL/g。

1.3 掘進范圍內采掘情況

巷道東部為正在施工的集中皮帶巷及已施工的西三變電所、西翼總回風巷東段;西部為正在施工的運輸石門。以上巷道的采掘活動對集中軌道巷巖巷段及聯巷施工均無影響。

2 掘進過程的數據觀測

巷道圍巖移動常用巷道表面位移量來表征，它可分為相對移近量和絕對移近量。巷道圍巖相對移近量是指不分巷道頂板、底板或巷道兩幫各自的單獨移動量，而只計其最后的相對移動結果。巷道圍巖絕對移近量是指測定巷道頂板、底板或兩幫某一部位實際的移動量。通常只測相對移近量就可以滿足對支護結構設計和支護形式選擇的要求。

2.1 觀測參數的確定

由于本掘進巷道的圍巖特性較為復雜，巷道變形量預計較大，所以，對該巷道進行圍巖絕對移近量的觀測十分必要。因此，施工過程中選擇觀測巷道絕對移近量的方法來分析巷道的變形特性，并將其作為調整巷道支護參數或進一步加強巷道支護的主要依據。

另外一個比較重要的表面位移觀測參數是巷道的收斂速度。巷道收斂速度綜合了巷道變形量與巷道變形的時間效應兩個因素，所以，具有重要的參考價值。該數值可以根據巷道頂底板移近量、兩幫移近量進行計算，其可靠程度主要由巷道表面位移觀測值的精確程度決定，所以說，巷道表面位移的觀測是研究掌握該礦礦山壓力規律的重中之重。

2.2 測站及測點布置

巷道礦壓觀測的測站一般布置在工作面前方不影響巷道施工的區域內，一般情況下距掘進頭10 m左右為宜。本次巷道礦壓觀測工作也是遵循這樣的一般原則，在不影響掘進工作面施工的情況下，臨近布置礦壓觀測站，以便全面掌握巷道變形過程以及各個變形階段的巷道變形特性。

該礦巷道礦壓觀測的測站布置采用十字布點方式，巷道表面位移觀測測點布置示意圖見圖1。

圖1 巷道表面位移觀測測點布置示意圖

如圖1所示，整個巷道斷面內共布置4個測點(A、B、C、D 4 點)，一個控制點(O 點)，那么，可以通過A、B兩點間相對距離的變化測出巷道頂底板移近量，通過C、D兩點間相對距離的變化測出巷道兩幫相對移近量，而控制點O正是為了保證4個測點的相對位置始終保持不變，確保測定的準確性而標定的。

2.3 觀測過程及結果

巷道表面位移觀測站布置標定以后，每天8點班派專人對巷道測站處的位移量進行觀測，并計算位移量，繪制巷道變形曲線，總結巷道變性特征并進一步分析該巷道變形機理。自巷道施工以來，經過對多個巷道測站的連續觀測，選擇一組最具代表性的曲線，并對該巷道的變形特征及其機理進行分析。

巷道位移及收斂速度是反映巷道圍巖變形和穩定性狀態的重要指標。本項研究于2011年5月10日～2011年6月6期間，在現場進行了巷道圍巖變形觀測。

1)表面位移量。

掘進期間巷道變形觀測結果見表1。

表1 掘進期間巷道表面變形情況一覽表

巷道掘進期間，第I測站和第II測站巷道圍巖表面位移量隨時間的變化情況見圖2，圖3。從圖2，圖3可以看出，該礦集中軌道巷巖巷段在掘進期間頂板和兩幫位移隨時間的變化特征。

2)收斂速度。

在掘進影響期巷道表面位移量較大，14天掘進進尺29.4 m，巷道兩幫位移為99 mm，兩幫位移速度最大為6.0 ～6.1 mm/d，頂板位移量47 mm，底鼓量為113 mm，頂底位移速度最大為5.3～9.2 mm/d。

進入穩定期后，巷道表面位移量增速大大降低，兩幫位移速度0.3～0.7 mm/d左右。

集中軌道巷巖巷段表面位移觀測數據整理表見表2，從表2可以看出該巷道表面位移變化的基本規律。

表2 掘進期間巷道表面位移觀測數據整理表

3 結果分析

如圖2、圖3及表2所示，該巷道變形的表面位移觀測數及變化曲線表明:

1)巷道在開挖后1周左右時間內，無論是巷道頂底板下沉量，或是巷道變形速度，其數值都相對比較大。

2)隨著時間的推移，掘進工作面逐漸遠離礦壓觀測站，同時，巷道圍巖經過一段時間的變形，巷道圍巖應力得到釋放，所以，在巷道開挖后1周至10天左右，巷道圍巖體的變形速度將逐漸趨于平緩。

3)巷道開挖后20天左右，巷道的變形(包括頂底板及兩幫變形)都趨于穩定，即整個巷道已逐漸形成新的平衡狀態，在未受到其他大的工程擾動力之前，巷道又將處于一個穩定狀態。

4)綜合來看，巷道在開挖之后，將由原來的穩定狀態失衡而使其處于不穩定，導致巷道變形嚴重。經過一段時間的應力釋放，巷道圍巖將處于一個新的平衡狀態，巷道圍巖體經歷了一個“穩定→不穩定→穩定”變化階段，與之相對應的是巷道變形的“急劇→平緩→穩定”變化階段。

4 結論

通過對陽煤集團和順新大地煤業公司集中軌道巷巖巷段在掘進過程中巷道表面位移的觀測，分析該段巷道在掘進過程中表面位移的變化規律，為進一步掌握本巷道掘進過程中的礦壓顯現規律，推測整個礦井的礦山壓力特征提供了基礎數據，并為該礦選擇技術上可行、經濟上合理的支護方法，保證巷道的穩定和礦井正常的生產，提供了可靠的依據。

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