錦界礦回采巷道圍巖破壞特征與支護參數優化

張 琪，楊 宵，喬博陽

（中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京 100083）

許多專家學者對巷道圍巖破壞特征和支護參數優化進行了細致入微的研究[1-2]。康紅普等[3]提出煤巖體本身存在的結構面控制著圍巖破壞特征，并且提出了利用鉆孔窺視儀進行圍巖結構探測的方法。劉洪濤等[4]提出根據穩定巖層層位的變化，劃分出運輸巷道冒頂隱患級別。趙志強[5]首次提出蝶形塑性區的理論，并推導出了圓形巷道圍巖塑性區邊界方程。張明磊等[6]提出應充分考慮到圍巖的自身結構承載能力和錨桿的支護作用，利用其穩定性判據來檢驗錨桿支護巷道的穩定性。王猛等[7]研究認為，主應力變化對深部巷道圍巖變形破壞特征的影響在巷道支護中非常必要的。

以錦界煤礦3-1煤層為例，巷道頂板的完整性和離層現象在一次采動影響下具有很大的差異。為此采用FLAC3D數值計算進行巷道圍巖穩定性和支護參數優化研究，以巷道圍巖主應力作為切入點，通過將主應力大小和方向相結合進行研究，從而判斷出主應力大小和方向對巷道圍巖破壞形態和范圍的影響，提出合理的支護優化方案，為分析同類巷道支護方式以及類似巷道圍巖破壞現象提供借鑒。

1 工程概況

錦界煤礦位于榆神礦區東北部，地處陜西省榆林市神木縣瑤鎮鄉和麻家塔鄉境內，錦界礦3-1煤是井田內3層主采煤層之一，埋深一般為70～120 m，傾角1°左右。3-1煤頂板為粉砂巖、細粒砂巖，抗壓 強 度 為 27.4～37.2 MPa， 天 然 含 水 率 1.48%～2.12%，軟化系數 0.22～0.66，底板為粉砂巖、細粒砂巖，抗壓強度為 37.4～45.3 MPa，天然含水率 0.45%～1.4%，軟化系數 0.32～0.48。巷道圍巖屬于中等穩定性巖層。

93402回風巷道為矩形巷道，寬5.4 m，高2.9 m，巷道斷面積15.95 m2。巷道采用沿底留頂煤掘進方式，巷道高度不夠時進行拉底，保證巷道高度不低于2.95 m。巷道采用樹脂錨桿+金屬網片+錨索聯合支護工藝，錨桿規格選用φ16 mm×2 100 mm圓鋼一次性緊固錨桿，其中錨桿布置為矩形，間排距1.0 m。錨索排距為3 m，間距為2.5 m，每排2根。93402回風巷原始支護參數如圖1。

圖1 93402回風巷原始支護參數

2 巷道圍巖結構特征分析

2.1 頂板結構與變形特征

巷道頂板巖層情況和變性特征將直接影響回風巷錨桿錨索支護情況，通過多組巖層鉆孔窺視儀的攝錄結果比較可知，巷道頂板巖層較穩定，巖層厚度偏大，且各層位頂板厚度變化也較為明顯，頂板總體穩定性較好。頂板鉆孔攝錄如圖2。

圖2 93402回風巷頂板鉆孔攝錄結果

巷道頂板窺視結果顯示，頂煤厚度不大，厚度在0.2～0.4 m之間。各個聯巷測點頂煤上方均為細粒砂巖，巷道頂板巖性單一無變化，頂板巖層結合較為簡單，且聯巷頂板裂隙較少，頂板完整性好。

2.2 松動圈測試

回采巷道開挖后，煤巖體原始應力平衡被打破，巷道圍巖應力重新分布，進而圍巖部分區域產生應力集中，當其應力大于煤體的極限應力時，巷道周邊一定范圍的煤體就會發生變形破壞，此范圍的應力會有所降低，應力得到釋放，圍巖將破碎產生裂隙從而形成松動圈[8]。為了探索巷道圍巖破壞情況，由此進行圍巖松動圈測試。本次松動圈測試共布置6個測點，測試布置如圖3。

圖3 93402回風巷松動圈測試布置圖

由此分別在巷道的兩幫腰線位置，鉆頭直徑42 mm，測量鉆孔采用煤電鉆打孔，鉆孔方位保持向下傾斜3°～5°。測點布置在掘進工作面后方20 m左右，每隔10 m布置1個測試點。各測孔松動圈測試結果如圖4～圖5。

圖4 煤壁幫測孔聲波圖

由圖4煤壁幫測孔聲波折線圖可以清楚的發現，以20 m處煤壁幫測孔為例，距離孔口0.5 m左右范圍內，測試聲波波速較小且平穩，表明巷道圍巖破碎嚴重，圍巖處于塑性狀態，而距孔口0.5 m之后，波速呈臺階式急速增長，隨之保持平穩狀態波動，巷道圍巖進入彈性狀態。距掘進工作面80 m處，煤壁幫測孔距離孔口1.0 m范圍之內，測試聲波波速較小且平穩，巷道破碎嚴重，圍巖處于塑性狀態，而距孔口1.0 m之后，波速呈臺階式急速增長，隨之保持平穩狀態波動，但其波速小于其他測點。其他各處測孔波速呈現相似的規律。總體來講，距巷道表面距離越小，受采動影響越大，圍巖較破碎。

圖5 煤柱幫測孔聲波

由圖5煤柱幫測孔聲波折線圖可以清楚的發現，煤柱幫聲波波速變化和煤壁幫有著相似的變化規律。以20 m處煤壁幫測孔為例，距離孔口0.5 m左右范圍內，測試聲波波速較小且平穩，表明巷道圍巖破碎嚴重，圍巖處于塑性狀態，而距孔口0.5 m之后，波速呈臺階式急速增長，隨之保持平穩狀態波動，巷道圍巖進入彈性狀態。距掘進工作面80 m處，煤柱幫測孔距離孔口1.0 m范圍之內，測試聲波波速較小且平穩，巷道破碎嚴重，圍巖處于塑性狀態，而距孔口1.0 m之后，波速呈臺階式急速增長，隨之保持平穩狀態波動，但其波速小于其他測點，其他各處測孔波速呈現相似的規律。總體來講，距離巷道表面距離越小，受工作面采動影響越大，圍巖破壞相對嚴重。

兩幫松動圈大小隨距工作面變化趨勢如圖6。由圖6分析可知，回風巷兩幫圍巖的松動圈范圍隨工作面采動而變化，距離工作面后方20 m處，回風巷煤壁幫和煤柱幫松動范圍為0.4 m，隨著工作面向前推進，距離工作面后方越遠，煤柱受力破壞相對較大，巷道圍巖松動圈范圍有逐漸增大的趨勢。另外，煤柱幫一側圍巖比煤壁幫一側圍巖受采動影響破壞更嚴重。

3 巷道圍巖應力與破壞特征

3.1 模型的建立

以錦界礦93402回風巷道為理論計算模型，93402回風巷道位于3－1煤層之中，煤層平均厚度3.50 m。頂板依次順序為：粉砂巖平均厚度 1.6 m，細砂巖平均厚度6.0 m。底板依次順序為：泥巖厚度0.21 m，粉砂巖厚度 2.86 m，細粒砂巖厚度 12.65 m。各巖層的力學參數見表1。

圖6 兩幫松動圈大小隨距工作面變化趨勢

此巷道的開挖與支護實際上屬于三維問題，為了計算同一斷面的開挖和巷道優化支護方案，而且為解決問題和計算上的方便，將此計算近似為平面應變問題，因此，采用FLAC3D進行計算。

表1 煤巖物理力學參數

建立93402回風巷道受采動影響時Mohr－Coulomb本構模型，尺寸 330 m×600 m×110 m，為研究巷道頂板破壞特征和進行支護參數優化提供依據，回采工作面模型圖如圖7。計算模型的左右側和底部取位移邊界，而上部取應力邊界，其應力為上部覆巖的自重應力，即ρh，其中ρ為上覆巖層平均密度，h為計算模型上邊界地表的平均距離。根據實際圍巖介質，取 ρ＝2 500 kg/m3，h＝80 m，由此可以計算出上邊界的應力為2.0 MPa。

通過對93401工作面進行開采，研究該工作面開采時對93402回風巷受采動應力時的影響，得出巷道軸線方向上最大主應力8.2 MPa。建立尺寸為50 m×3 m×50 m的模型，將上述研究過程中得出的巷道軸線方向上最大主應力施加在該模型的上部邊界上，其余邊界條件與93401回采工作面模型一致。93401工作面開采之后，93402回風巷道受采動應力影響，巷道圍巖應力云分布如圖8，巷道圍巖應力發生小角度偏轉，主應力方向如圖9。

圖7 回采工作面模型圖

圖8 93402回風巷受力分布

圖9 主應力方向圖

為研究93402回風巷道主應力大小受93401工作面受采動影響時的規律，通過建立模型模擬工作面距開切眼30 m處推進370 m，從93402回風巷提取的最大、最小主應力如圖10。無論是最大主應力或是最小主應力，應力曲線在工作面后方都會以單峰值的形式呈現，這個峰值位置在距工作面后方185 m處；而工作面超前范圍內主應力大小則減小了很多，表明回風巷超前范圍內受采動應力影響很小，回風巷變形較小。

圖10 主應力規律

主應力比值如圖11，主應力比值曲線變化分布規律與最大主應力曲線變化規律基本相同，隨著主應力大小的變化，比值隨之變化。工作面后方200～400 m范圍內，巷道圍巖圍壓比逐漸增大，最大主應力和最小主應力也逐漸增大；比值峰值和主應力峰值出現點相同，距工作面0～200 m范圍內比值逐漸減小，表明主應力此時也減小。而工作面超前200 m范圍內比值逐漸下降至原巖應力主應力比值。

3.2 93402回風巷圍巖破壞分析

圖11 主應力比值

回風巷受上一工作面采動圍巖應力大小影響會產生圍巖塑性區的變化。運用FLAC3D數值模擬計算出的93402回風巷圍巖塑性區如圖12。

圖12 巷道圍巖塑性區

模擬結果顯示，巷道受采動影響不大，巷道頂底板圍巖完整性較好，兩幫圍巖塑性區最大深度1 m，與圍巖松動圈測試結果顯示一致。巷道圍巖破壞范圍不大，由此可對巷道原有支護參數進行優化提供理論支持。

4 支護參數優化與試驗

4.1 支護參數優化

巷道圍巖松動圈測試和FLAC3D數值模擬結果可以真實反映出93402回風巷圍巖破壞情況，由于巷道頂底板的完整性較好，兩幫圍巖塑性區范圍不大，巷道支護參數的優化設計，不僅應考慮巷道穩定性要求[9-11]，還要綜合考慮掘進速度和支護成本[12-13]。根據以上理論對原有支護參數提出如下優化方案。

1）巷道頂板采用φ16 mm×2 100 mm緊固性錨桿支護，錨桿間距1 200 mm×1 000 mm，頂板不掛網；矩形布置方式，每根錨桿使用1根CK2350型錨固劑；兩幫掛塑料網支護。

2）巷道頂板采用 φ15.24 mm×6 500 mm 錨索支護，錨索間距3 000 mm，每根錨索使用3根CK2350型錨固劑。

3）幫網施工由原來的鐵絲網優化為塑料網，錨桿由原來的2套/m、矩形布置優化為現在的2套/1.5 m、三花布置，并取消了煤巷帶木托盤底錨桿的使用。

與原有支護參數比較，優化后支護參數使得錨固支護技術更加合理，既大大節約了錨桿量，降低了材料消耗，又最大限度地發揮了錨桿的錨固作用和圍巖的自承能力，達到了支護-圍巖共同承載的目的，既維護了巷道的安全穩定，也充分利用了錨桿的承載能力。

4.2 錨桿錨索受力監測

錨桿錨索受力監測結果，錨桿錨索受力監測結果可真實反映出巷道圍巖錨桿錨索的工程情況，了解錨桿錨索實時工作情況。用錨桿測力儀監測錨桿的承載力，判定錨桿的承載情況，進而可對錨桿支護效果進行測試。選取部分錨桿進行監測，錨桿錨索受力監測布置如圖13。

實驗在93402回風巷道距93401工作面分別為100、200、300 m處巷道頂板中央安裝1組錨桿測力計監測錨桿錨索受力情況，受力監測見表2。

圖13 錨桿錨索受力監測圖

在監測期限內，從表2中數據可以看出，錨桿初始錨固力大小情況為：93402回風巷道工作錨桿受力和錨索受力為35、68 kN。進一步采動受壓變化，錨桿和錨索最大受力達35 kN和68 kN，錨桿和錨索最終受力趨勢穩定，達12 kN和32 kN。錨桿錨索并未出現繃斷的現象。

表2 錦界礦93402回風巷道錨桿錨索監測數據

5 結論

1）93402回風巷受工作面開挖一次擾動影響，巷道圍巖變形，出現塑性區。巷道圍巖頂板完整性較好，兩幫變形量不大。

2）由獲取的主應力曲線可知：回風巷受一次采動影響，主應力曲線呈現先上升后下降的趨勢，且主應力大小最大值點出現在滯后影響階段。

3）結合數值模擬滯后影響階段研究可知：主應力大小和方向決定了巷道圍巖的破壞形態，主應力比值決定了塑性區擴展范圍。

4）巷道支護參數優化后，為保證支護質量，經過錨桿錨索受力監測試驗，并未出現錨桿與錨索繃斷現象的發生，試驗結果良好。