大斷面巷道圍巖失穩機理及穩態支護控制研究

史春生

(霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦，山西省臨汾市，041000)

在煤炭地下開采中，由于煤層賦存條件的復雜多變，巷道掘進的工程量極大，而且巷道穩定性受采場采動作用的影響較大，如果巷道圍巖強度較小，則巷道穩定性支護更加困難。大斷面巷道在掘進過程中破壞了巖體的原巖應力狀態，引起應力的重新分布，在此過程中，巷道圍巖發生變形運移、塑性屈服甚至失穩破壞，而巷道支護結構所受載荷的大小和方向也一直在發生變化。在礦壓顯現作用下，巷道穩定性破壞表現為底板底鼓、斷面尺寸收縮、覆巖垮落等。本文以李雅莊煤礦大斷面回采巷道為工程背景，對巷道所處地層的覆巖結構特征進行測試，對巷道圍巖失穩的機理進行研究，進而提出合理的巷道支護方案，同時通過現場實測驗證支護方案的合理性，本文研究方法可為其他礦井大斷面回采巷道支護技術的研究提供借鑒意義。

1 巷道覆巖結構特征

工作面覆巖結構受巖體巖性以及所受構造應力的影響較大，在長期地質作用下，巖層表現為顯著的非連續性，各個方向上的結構差異明顯，內部發育規模不等、方向各異的裂隙。為了研究工作面上部不同層位巖層的賦存情況，采用鉆孔窺視法得到覆巖的結構特征，如圖1所示。

圖1 鉆孔巖體結構示意圖

由圖1可以看出，距孔口0.9 m和2.9 m位置的巖體較為破碎，完整性極低，明顯受到巷道開掘的影響；距孔口3.4 m和3.9 m位置的巖體發育較多裂隙；距孔口4.3 m處巖體破碎程度較高，而距孔口5.8 m處巖體完整程度較高，只發育一些小型裂隙，受巷道開掘的影響較小。總體上看，在鉆孔范圍內部分巖層破碎度較高，部分巖層發生離層現象，大部分的巖層內部均發育裂隙，故大范圍的巖層完整性較低，需要對該范圍內的巖層進行加固。

2 巷道圍巖失穩機理分析

2.1 巷道覆巖失穩機理

對于大斷面巷道頂板，各分層間的離層是造成其失穩的主因。為了簡化研究問題，認為巷道頂板所受的載荷為均布載荷，巷道頂板兩端受到固定約束。由于巷道埋深較大，故巷道頂板所受的應力以構造應力為主，巖梁兩端截面所受的應力(正應力和剪應力)較大，則頂板發生拉伸破壞或者剪切破壞的概率較高，由此將大斷面巷道頂板簡化為縱橫彎曲梁模型，如圖2所示。

由縱橫彎曲梁理論可知，頂板中部的變形最大，且其最大變形為：

(1)

式中：P——巖梁兩端所受的水平應力；

E——巖梁的彈性模量；

I——巖梁的慣性矩；

b——巖梁寬度；

c1、c2、k、A、B——常量系數。

圖2 深部巷道頂板簡化模型示意圖

2.2 巷道兩幫失穩機理

大斷面巷道開掘的空間較大，將巷道兩幫視為厚度較小的地基體，則巖梁所受的地基支撐反力q′與巖梁的變形量w成正比：

q′=kbdw

(2)

式中：kb——地基系數；

d——巖梁寬度；

w——巖梁變形量。

巷道兩幫的失穩形式主要表現為片幫，同時巷道兩幫變形具有對稱性，認為煤壁片幫區外的煤體變形較小，故建立巷道一幫的彈性地基梁模型時認為片幫區與非片幫區的接觸點為固定約束，靠近采空區一側的煤體不受約束，為自由變形端，則巷道兩幫的模型如圖3所示。

圖3 深部兩幫的彈性地基梁模型示意圖

基于彈性地基梁均布荷載短梁模型理論，地基梁所受的壓力為：

(3)

式中：H——巷道高度。

(4)

由此可得巷幫所受的側壓力為：

(5)

式中：ka——主動土壓力系數；

φ——煤體的內摩擦角；

cb——煤體的黏聚力；

γ——煤體的容重；

h——巷幫某一點距覆巖的距離。

3 支護方案

礦井目前開采煤層厚度最大為4.9 m，平均為3.08 m，賦存穩定，煤體內部裂隙發育較多，完整性和強度相對較低，含有極薄的夾矸層。巷道直接頂巖層為泥巖，強度較低，在采掘作用下容易發生破碎失穩。工作面回采巷道為矩形巷道，巷道寬度和高度分別為5.2 m和3.2 m。因此提出巷道的支護方案為：高預緊力錨桿+樹脂+錨索共同支護，巷道支護設計如圖4所示。

圖4 大斷面巷道支護設計示意圖

對該方案下的支護效果進行數值模擬驗證，得到應力分布特征如圖5所示，由圖5可以看出，各個錨桿的應力場相互作用形成了多根錨桿錨固的應力場，在錨桿尖端形成了一定范圍的拉應力場，在托板位置形成了一定范圍的壓應力場；在整個錨桿支護巖體的應力場中，尖端處所受拉應力最大，托盤位置壓應力最大，中間位置巖體壓應力最小。各個錨桿支護形成的應力場會相互重合，成為一個整體，整體的支護結構表現為“鼓狀”在重合帶應力場相互疊加，形成了較大的錨固范圍。

圖5 巷道圍巖應力分布云圖

4 支護效果的現場評價

通過離層測試儀對巷道上部不同層位巖層的變形量進行現場實測，從而對支護方案的合理性和有效性進行效果評價。共布置2個測站，分別布置在巷道支護后300 m和800 m處。每個測站均布置A、B、C共3個測點，其中，A測點在巷道斷面中部上方1.5 m處，B測點布置在巷道斷面中部上方3.5 m處，C測點布置在巷道斷面中部上方5.5 m處。

圖6 1號測站巷道覆巖離層變形量變化曲線

1號測站巷道覆巖離層變形量變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，在巷道支護后300 m處，當距工作面距離較遠時，巷道覆巖較深處離層量為零，穩定性極高，而在巷道上部1.5 m的位置離層量不足0.5 mm，說明錨固范圍內巖層保持較高的完整性。在工作面推進過程中，隨著測站距工作面距離縮短，巷道圍巖開始受到采場采動的影響，故覆巖離層量增大；另一方面，由于采場采動作用下巷道覆巖重分布的應力場達到平衡狀態需要一段時間，故覆巖離層量的增大速率隨著距工作面距離的減小而增大。當距工作面距離為0 m時，巷道上部1.5 m、3.5 m和5.5 m處的離層量達到最大，分別為8.8 mm、4.4 mm和0.75 mm，總體上離層量不大，錨固效果較好。

圖7 2號測站巷道覆巖離層變形量變化曲線

2號測站巷道覆巖離層變形量變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，在巷道支護后800 m處，當距工作面20～50 m范圍內時，錨固巖層幾乎不受采場采動的影響，離層量僅從0 mm增大到0.5 mm，覆巖離層量增大速率較為緩慢；當距工作面20 m以內時，覆巖最大離層量僅從0.5 mm增大到4.47 mm，離層量極小。

綜上分析，在不受采場采動作用下，巷道施加支護后深部巖層不會發生離層，而淺處巖層的離層量也未超過0.5 mm，這是由于聯合支護與巷道圍巖的相互作用達到平衡，錨固范圍內巖層保持較高的完整性。當距工作面距離為0 m時，覆巖最大離層量為8.8 mm，說明所選支護方案有效控制了巷道覆巖離層現象。

5 結論

本文對大斷面回采巷道所處地層的覆巖結構特征進行了測試，對巷道圍巖失穩的機理進行了研究，通過現場實測驗證了支護方案的合理性，得到以下結論：

(1)在鉆孔范圍內部分巖層破碎度較高，部分巖層發生離層現象，大部分的巖層內部均發育裂隙，故大范圍的巖層完整性較低，需要對該范圍內的巖層進行加固。

(2)將大斷面巷道頂板簡化為縱橫彎曲梁模型，得到了頂板最大變形的計算方法；基于彈性地基梁對巷道兩幫失穩的機理進行了研究，得到了兩幫受載的計算方法。

(3)提出了“高預緊力錨桿+樹脂+錨索共同支護”的支護方案，并且對巷道覆巖離層情況進行了現場實測，得出覆巖最大離層量為8.8 mm，說明所選支護方案有效控制了巷道覆巖離層現象。