破碎圍巖巷道變形特征及支護參數優化

楊皓博

（陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 彬縣713500）

隨著我國煤礦開采深度、規模及產量持續增加，破碎圍巖巷道支護問題日益突出[1-3]。王曉利[4]等針對無煤柱開采沿空留巷支護難題，設計了柔模支護技術方法。閆少宏，尹希文等[5]研究大采高工作面直接頂及基本頂判定方法和支架工作阻力量化計算過程，剖析了巷道頂板易形成“短懸臂梁－鉸接巖梁”結構。韓玉明等[6]使用超前預注漿加固技術，有效減緩巷道圍巖受開采擾動影響。巷道開挖擾動作用下圍巖失穩與卸荷易誘發掘進工作面覆巖裂隙發育、巖體大范圍垮落[7]，甚至導通巷道頂底板隔水層而發生涌突水事故，嚴重制約現場安全高效掘進[8-10]。為此針對破碎圍巖巷道變形規律及支護問題[11]，以小莊煤礦巷道為研究對象，開展破碎圍巖巷道變形特征及支護參數優化研究，為動力災害預測提供科學依據[12-13]。

1 工程概況

陜西彬長礦區小莊煤礦輔助運輸巷，該段巷道長度401.25 m；巷道寬度為5.2 m，巷道墻高度2.0 m（基礎高度0.3 m），拱部高度2.18 m，總凈高4.18 m。工作面標高為+380～+390 m，煤層埋深520～690 m，平均埋深為620 m，走向長度為1 801 m，煤層平均厚度6.9 m，煤層平均傾角6°。輔助運輸巷道穿越煤巖巷地質區段，巷道穿越的4#煤層厚為0~5.5 m，煤層傾角為3°～5°，煤層結構屬塊狀、內生節理發育裂隙。

2 破碎圍巖支護特征分析

破碎圍巖巷道開挖后支護條件受限于地質構造情況，受開挖擾動和構造應力綜合作用，圍巖受力狀態由變形或破壞向平衡受力狀態轉變。因此，圍巖物理力學性質及其支護剛度對于巷道圍巖穩定性控制至關重要。繪制p1-u0圖（p1為支護強度；u0為周邊位移）。圖中曲線斜率越大則支護剛度越大，其支護受力隨之增大，巷道周邊徑向位移反之越小。破碎圍巖支護特征曲線如圖1。

圖1 破碎圍巖支護特征曲線

巷道支護以其支護強度和剛度來控制破碎圍巖裂隙發育程度和加強原巖強度，通過軸對稱圓形巷道計算彈塑性位移：

式中：r0為巷道半徑；G 為圍巖的剪切模量；φ為圍巖的內摩擦角；p0為原巖應力；c 為圍巖黏聚力；p1為支護抗力。

由式（1）可以看出，p1和u0成正比，圓形軸對稱巷道內修建圓形襯砌，將圓形襯砌簡化為厚圓壁筒形狀，則其受外壓力p 呈均勻分布狀態，便于計算分析。因此圓筒外部邊緣的徑向位移u0計算公式：

式中：a 為圓筒內徑；R0為圓筒外徑；E1為材料彈性模量；v1為位移系數。

3 破碎圍巖巷道變形特征數值計算

通過使用有限元FLAC3D數值計算軟件，依據彈塑性本構模型和摩爾-庫侖破壞準則，設計左右邊界50 m，模型寬100 m、高100 m、長130 m。模型底端設為固定邊界，水平和豎向位置固定，4 側面設為滾軸邊界，以限制水平位移，模型上部施加垂直荷載以模擬上覆巖層質量。基于試驗巷道圍巖工程地質狀況，選取巖性較差的砂質泥巖進行圍巖穩定性分析和支護設計數值計算分析。

3.1 破碎圍巖巷道應力分布特征

由于地質、巷道幾何性質等均沿巷道走向中垂面對稱，故垂直應力場也表現出十分理想的對稱現象，隨著煤層傾角垂直應力場不對稱分布越發明顯，主要表現在2 個方面：頂板應力釋放范圍逐漸由中部向高幫方向移動；右幫集中應力逐漸消失。矩形巷道開挖計算平衡后，圍巖水平應力場仍然沿巷道走向中垂面對稱，隨著巷道幾何形狀和地質條件不對稱性加劇，圍巖水平應力場也顯現出不對稱分布，隨著傾角的增加，頂板應力釋放程度降低，但影響范圍逐漸增加。巷道垂直和水平應力場分布云如圖2 和圖3。

圖2 巷道垂直應力場分布云圖

圖3 巷道水平應力場分布云圖

3.2 破碎圍巖巷道塑性破壞規律分析

巖層中矩形巷道開挖后，水平位移也基本呈對稱分布，主要分布在兩幫中部，需要注意的是，在兩幫外側3.0 m 處附近煤體出現了背向臨空面的水平位移，究其原因，主要是由于巷道開挖后，頂板發生塑性破壞，實際工程中，該部分破壞煤巖體無支護時必然下落形成垮落拱，由于本軟件是連續介質模型，發生破壞的單元不會下墜而消失，但計算數據中，無形的拱結構還是存在的，而上述部位處于拱腳部位，較大的水平應力使得兩幫部分煤體發生背離臨空面方向的壓縮變形。垮落拱輪廓如圖4。

圖4 垮落拱輪廓塑性破壞區示意圖

3.3 采動荷載破壞下圍巖深度變化規律

無采動影響時，巷道開挖后，圍巖破壞主要分布在頂板、底板、低幫、高幫兩端和低幫頂角，破壞范圍較小，破壞厚度分別為1.39、0.83、0.58、0.81、1.38 m，隨著采動應力的增加，這些部位破壞深度越來越大，統計并制圖，得到的不同采動荷載下巷道圍巖破壞深度變化規律如圖5，由圖5 可知，低幫頂角的破壞深度隨采動應力升高的增幅最快，頂板次之，二者與增載系數之間均呈二次函數關系，低幫破壞厚度與增載系數之間呈直線關系，增幅最小。在破壞形態方面，增載系數為1.0 時，頂板破壞形狀呈平行四邊形，隨著動載的增加，逐漸向三角形過渡；高幫的破壞從頂底角部位開始，隨動載的增加而逐漸向中部閉合，增載系數為1.5 時，閉合完成，后又逐漸向外擴展；低幫頂角的破壞首先也是從角部開始，之后逐漸向上發展，到達一定深度后，向低幫側擴展，逐漸呈現扇形；低幫和底板破壞形態受動載影響較小，基本保持相同的形狀。

4 支護參數優化及工程現場評估

4.1 巷道支護參數優化

基于破碎圍巖支護特征分析和破碎圍巖巷道變形特征數值計算，為進一步強化輔巷圍巖支護強度，在剖析原有支護方案的基礎上，設計優化巷道側幫支護方案。在巷道幫部增加錨索，規格為φ21.8 mm×4 500 mm，間排距1 400 mm×1 600 mm，配合鋼帶聯合支護，規格是帶長1 900 mm；巷道幫部原支護錨桿增加鋼筋梯子梁進行聯合支護，梯子梁采用直徑為14 mm 鋼筋加工，長度3 108 mm。輔運巷道支護優化如圖6。

圖5 采動荷載破壞下圍巖深度變化規律

圖6 輔運巷道支護優化圖

4.2 工程現場評估

通過使用微震檢測系統對巷道支護強度的解危過程進行實時監測，評價現場工程效果。據2017 年5 月1 日到6 月1 日微震事件顯示。該時間段內微震事件頻率整體呈偏態分布。其中，5 月1 日到8 日和5 月27 日到31 日期間微震頻率平均保持在3.0次/min，電磁輻射峰值強度超出預警線，高達90.1 mV，因為該時間段處于實施解危措施的初始階段，解危效果尚未完全顯現。5 月9 日到26 日是微震事件頻率的最高階段，因為原有巷道支護實施效果較差，煤巖柱節理裂隙充分發育，強度降低，塑性變形明顯，致使破碎圍巖強度降低，微震事件頻發。應力集中區能量主要以Ⅰ～Ⅲ級為主的小能量微震事件大量快速釋放和傳播，表現為微震事件頻發期，此階段電磁輻射強度平均達53.1 mV，對比解危措施實施前期整體表現較高，但均未超過預警線，解危效果開始顯現。巷道解危效果顯著，保障工作面的安全生產。微震事件頻率隨時間變化趨勢如圖7。

圖7 微震事件頻率隨時間變化趨勢

5 結 論

1）對破碎圍巖巷道應力及覆巖運移規律進行分析，通過破碎圍巖支護特征曲線得知曲線斜率越大則支護剛度越大，其支護受力隨之增大，巷道周邊徑向位移反之越小。

2）破碎圍巖巷道在巖石中開挖后，水平位移基本呈對稱分布，主要分布在兩幫中部，在兩幫外側3.0 m 處附近煤體出現了背向臨空面的水平位移。巷道支護后沉降量平均較未支護狀態下巷道沉降量降低50%，應力峰值減小且呈線性分布。

3）巷道經過支護后頂板運移量大幅度減小，同時減緩覆巖整體性破壞程度。受巷道掘進擾動影響下的頂板更易發生結構失穩，巷道支護能夠有效阻礙覆巖頂、底板運移，圍巖穩定性得到有效控制。

4）設計優化巷道側幫支護方案，通過使用微震檢測系統對巷道支護強度的解危過程進行實時監測，時間段內微震事件頻率整體呈偏態分布。巷道解危效果顯著，保障工作面的安全生產。