深井巷道圍巖地應力分布規律測試及控制技術

李士棟

(肥城礦業集團 單縣能源有限責任公司，山東 單縣274300)

0 工程概況

根據原巖應力測點布置的基本原則，依據陳蠻莊煤礦井下的開拓布置情況，在現有巷道揭露范圍內選擇了四個測點進行原巖應力實測，編號分別為CMZSC-1、CMZSC-2、CMZSC-3、CMZSC-4，測點絕對深度941.7m。

實測表明最大水平應力方向與巷道掘進方向的夾角較大，最大水平應力對巷道穩定性影響較大。根據實測的原巖應力，采用數值模擬方法進一步探求原巖應力與錨桿支護強度的關系，為巷道支護提供科學依據。

支護系統的成功關鍵是錨桿支護參數設計要合理，支護參數包括錨桿長度、錨桿間排距、錨桿直徑、錨桿型號等。巷道圍巖松散破碎范圍是決定錨桿長度的重要因素，原則上講，錨桿的長度應該足以錨固到松散破碎范圍以外的一定深度。

1 支護系統數值模擬分析

采用大型巖土類三維分析軟件3D-FSM·DDM 間接邊界元數值系統對巷道開挖后，對采用不同支護方式巷道的圍巖力學特征進行數值模擬，具體數值計算模型及方案如下：

根據原巖應力第一測點（CMZSC-1）的地質條件，建立測點周圍西翼回風大巷的數值計算模型。巷道斷面為直墻半圓拱形，其形狀尺寸斷面凈寬為4.0m，凈高為3.6m。方案1 采用錨網噴支護（斷面布設14根Φ18mm×1.8m 錨桿），方案2 采用錨網噴+錨索支護（斷面布設14 根Φ20mm×2.4m 錨桿，同時增加3 根Φ17.8mm×6.3m錨索）。

考慮到邊界效應和計算速度因素，最終計算模型長度為20m，模型共有720 個單元，378 個節點。方案1 每個斷面布設14 根（Φ18mm×1.8m）錨桿，錨桿共有1680 個單元，1960 個節點；方案12 每個斷面布設14 根（Φ20mm×2.4m）錨桿+3 根（Φ17.8mm×6.3m）錨索，錨桿共有1680 個單元，1960 個節點，錨索有360 個單元，480 個節點。為了更好地模擬錨桿支護沿著不同方向支護的圍巖力學特征，本次數值模擬模型在巷道周邊施加原巖應力測點CMZSC-1 實測的原巖應力測試參數，方案施加的原巖應力參數見表1。

2 不同支護方式下的巷道力學作用模擬分析

2.1 不同支護方式下的巷道主應力矢量對比分析

巷道開挖后采用錨網噴支護和錨網噴+錨索耦合支護兩種支護方式下，巷道周邊圍巖主應力矢量對比分析：當模型采用錨網噴支護時，巷道周邊圍巖較支護之前主應力有所減小，左側頂板的最大主應力減小為12.11MPa；當模型采用錨網噴+錨索相耦合的支護方式后，巷道周邊圍巖較支護之前主應力有較明顯的減小，左側頂板的最大主應力減小為6.47MPa，降幅較大，說明采用錨網噴+錨索耦合支護方式更能有效控制巷道變形。

2.2 不同支護方式下的巷道位移矢量對比分析

巷道開挖后采用錨網噴支護（斷面布設14 根Φ18mm×1.8m 錨桿）和錨網噴+錨索耦合支護 （斷面布設14 根Φ20mm×2.4m 錨桿+3 根Φ17.8mm×6.3m 錨索）兩種不同的支護方式下，巷道周邊圍巖位移矢量對比分析：當模型采用錨網噴支護時，巷道周邊圍巖較支護之前位移矢量有所減小，左側頂板的最大位移矢量減小為18.9mm；當模型采用錨網噴+錨索相耦合的支護方式后，巷道周邊圍巖較支護之前位移矢量有較明顯的減小，左側頂板的最大位移矢量減小為9.43mm，降幅較大，說明采用錨網噴+錨索耦合支護方式更能有效控制巷道變形。

2.3 不同支護方式巷道穩定性對比分析

圖1 不同支護方式下的巷道穩定性對比分析圖

圖1 為巷道開挖后采用錨網噴支護和錨網噴+錨索耦合支護兩種不同的支護方式下，巷道周邊圍巖穩定性對比分析圖。當模型采用錨網噴支護時，巷道周邊圍巖的塑性區和破壞區均有不同程度的減小，同時巷道左側頂板和巷道右側出現了部分拉應力區；當模型采用錨網噴+錨索相耦合的支護方式后，巷道周邊圍巖塑性區和破壞區較支護之前有較明顯的減小，同時巷道左側頂板和右側底板區域出現大面積的拉應力區，說明采用錨網噴+錨索耦合支護方式更能有效控制巷道變形。

3 支護效果

采用錨網噴+錨索耦合支護方案，從巷道周邊圍巖的應力、位移及穩定性特征證明該支護方式更能有效的控制巷道周邊圍巖的變形，采用錨網噴+錨索的耦合支護方式是可行的。改善了陳蠻莊煤礦類似巷道工作面環境，減少了巷道擴修維護。

4 結語

4.1 當巷道掘進方向與最大水平主應力平行時，受水平應力影響最小，巷道頂板的主應力、位移和破壞范圍明顯大于巷道兩幫及底板；當巷道掘進方向與最大水平主應力垂直時，受水平應力影響最大，巷道兩幫的主應力、位移和破壞范圍明顯大于巷道頂、底板。

4.2 采用數值分析方法，獲得了深井巷道的錨網噴+錨索耦合支護技術。原巖應力實測表明，工作面布置巷道與最大水平應力夾角一般在40.16°～69.49°左右，巷道一側出現應力集中而另一側應力釋放，在巷道周邊圍巖破壞嚴重部位適時實施錨網噴+錨索支護方式可以加強深井巷道圍巖的整體穩定性。

4.3 原巖應力實測表明巷道與最大水平主應力方向夾角近乎垂直，受水平應力影響較大，巷道周邊圍巖受采動影響，最大水平主應力不斷增加，當最大水平主應力大于或等于臨界水平主應力時，極易發生沖擊動力破壞，造成圍巖失穩。原巖應力實測結果既可以為沖擊危險的預測提供判據，同時也為采取解除危險的措施提供理論基礎。

［1］崔云龍.簡明建井工程手冊[S].北京：煤炭工業出版社，2000.

［2］軟巖工程支護理論與技術[M].江蘇徐州：中國礦業大學出版社，2008.