2-1012回風巷道圍巖破壞分析與支護優化

尉宏斌

（霍州煤電集團豐峪煤業有限責任公司，山西 霍州 031400）

1 工程概況

紫晟煤業位于北益昌村南部，地表以丘陵耕地為主，無建筑物主要開采2#煤，煤層平均厚度為3.65m，為近水平煤層。2-1012回風巷所處層位為二疊系下統山西組，2#煤層頂板為軟弱破碎頂板，主要為砂質泥巖、局部炭質泥巖偽頂，其特征是：深灰色，泥質結構，薄層狀構造，有星散狀白云母及黃鐵礦；2#煤層底板主要為砂質泥巖，其特征是：灰、深灰色，泥質結構，薄層狀構造，有黃鐵礦星散。紫晟煤業2-1012回風巷道的斷面形狀為矩形，斷面尺寸4700×3100mm，支護方式為錨桿+錨索。紫晟煤業2-1012回風巷道的斷面形狀為矩形，斷面尺寸4700×3100mm，支護方式為錨桿+錨索。巷道頂板錨索間排距1300×1600mm，尺寸為Ф17.8mm×13500mm，并且每根錨索配4卷2550錨固劑；錨桿的間排距為800×800mm，每側巷幫布置3根錨桿，錨桿Ф20mm×2300mm，并且每根錨桿配2卷2550錨固劑原支護方案見圖1。礦方采用上述支護方案后，掘進過程中巷道圍巖變形嚴重，影響到了巷道的正常使用。

圖1 回風巷道原支護方案圖

2 圍巖破壞分析

2.1 2-1012巷道頂板離層量監測

為了了解原支護體系下2-1012巷道頂板的離層情況，在回風順槽內距第一聯絡巷左側100m、距第一聯絡巷右側100m處的兩個斷面內從巷道開挖初期進行為期40天的頂板離層的監測作業。本次選用GUD500型頂板離層儀進行巷道頂板離層量的監測作業，該離層儀操作簡單、讀數方便并且技術較為先進。兩個斷面的頂板離層量監測結果如圖2所示。

由監測結果可以看出：距第一聯絡巷右側100m處的斷面頂板深基點和淺基點的離層量分別為78mm和46mm；距第一聯絡巷左側100m處的斷面頂板深基點和淺基點的離層量分別為59mm和38mm。從巷道頂板離層量的變化趨勢來看，由于巷道開挖初期，圍巖應力得到釋放，因此頂板淺基點會出現部分膨脹及離層的現象，但是不會對深基點造成影響，后期隨著圍巖應力的釋放，頂板離層量趨于穩定。綜上，巷道開挖后必須及時進行支護作業，從而限制巷道開挖圍巖應力釋放造成的圍巖膨脹及離層的現象。

圖2 2-1012巷道頂板離層量監測結果

2.2 離層監測分析

從巷道頂板離層量的變化趨勢來看，在巷道掘進初期，圍巖應力得到釋放，但由于巷道淺處支護強度不足，造成頂板淺基點出現部分膨脹及離層的現象[1]；對深基點造成影響幾乎沒有，原支護方案的錨索雖然對巷道圍巖深處支護起到加強的作用，但可能會由于長度過甚，而會造成不必要的資源的浪費。后期隨著圍巖應力的釋放，頂板離層量趨于穩定。

綜上，在巷道開掘進后必須對巷道進行加強支護，從而限制巷道因受掘進的影響而造成的圍巖膨脹及離層的現象。

3 巷道支護優化方案及實際效果

3.1 支護方案優化設計

通過上述對現場檢測與分析，經理論計算后，礦方決定在原支護方案下，通過增加鋼帶與金屬網來對巷道頂板進行控制，其中鋼帶選擇長為4200mm,寬為250mm，厚為3mm的鋼板，其破斷力約為300kN；錨索選擇Ф17.8×8000mm，在巷道中心處打一根錨索，同時在巷道兩頂角處，距中間錨索16000mm分別再打兩根錨索，偏角為8°，錨索排距選擇為1600mm，每根嗎錨索采用樹脂藥卷K2335一支，施加大于120kN的預緊力。

優化設計的2-1012回風巷道支護斷面布置14根錨桿、3根錨索、W鋼帶和金屬網聯合布置，設計方案是在原設計基礎上進行優化，增加巷道兩幫支護強度，調整錨索支護角度，錨索預緊力在煤層巷道松動破碎區范圍外形成自然平衡拱與圍巖作用共同維護巷道穩定[2],優化方案如圖3所示。具體優化參數為：①頂板錨桿長度由2300mm增加到2400mm;②兩幫錨桿支護密度由3根增加到4根，支護長度由2000mm調整到2200mm；③錨索長度由13.5m減小到8m，調整預緊力錨索支護角度；④W鋼帶提高巷道頂板整體穩定性。

圖3 回風巷道聯合支護方案圖

3.2 2-1012巷道支護效果數值模擬

為了分析優化支護方案在工程中的應用情況，以紫晟煤業2-1012巷道為研究對象，根據2-1012巷道圍巖物理力學參數，同時借鑒類似工況經驗，通過Flac3D軟件，采用摩爾-庫倫本構模型建立紫晟煤業2-1012巷道支護模型，結合現場實測結果，模型X方向施加水平應力17.10MPa，模型Y方向施加水平應力11.3MPa，模型垂直方向施加垂直應力8.30MPa，對模型邊界施加位移約束條件，模擬過程中不平衡力＜1.0×10-5N時終止計算。所建模型尺寸為50m×30m×28m。

圖4 巷道支護垂直應力分布圖

由圖4-a可以看出，原支護方案在巷幫2.2m范圍出現了應力集中的現象，應力最大達到了12.55MPa，應力集中系數為1.72，應力集中區域已經超出了兩幫錨桿支護范圍，巷幫受頂板垂直應力影響較大；巷道頂板應力值變化范圍為0.4MPa～5.1MPa，頂板應力集中區域在頂板2.5米范圍，對頂板影響較弱。由圖4-b可以看出，優化方案的兩幫1.8m范圍出現了垂直應力集中現象，最大應力達到10.5MPa，應力集中區域在兩幫錨桿支護范圍，兩幫巷道承載能力較原支護方案增強，同時在優化后的頂板支護方案，使得兩幫的垂直應力減弱，巷道整體穩定性增強。

圖5 巷道支護塑性區分布圖

由圖5（a）可以看出，在原支護方案下，巷道的上頂角產生較大的塑性破壞區，最大深度達到2.1m，由于原方案沒有在該區域設置錨桿支護，使得在生產中，巷道頂角會成為安全隱患，需要及時進行支護措施。由圖5（b）可以看出，在優化支護方案下，通過增加錨桿長度與巷道頂角的支護，使得巷道頂板與兩幫的錨固體形成一個整體，增加了巷道整體穩定性，巷道兩幫的塑性區深度約為1.8m，頂角的塑性區約為1.4m，較原支護方案減小了0.7m，優化后的塑性破壞區，均處在錨索結構范圍內，支護方案最巷道圍巖進行了有效的控制，經過理論驗證得出優化方案滿足巷道圍巖穩定性要求。

3.3 現場應用及效果

得到優化方案后，礦方決定在2-1012回風巷道掘進面后100m的試驗段進行優化方案驗證，并且在試驗段每隔10m處斷面按裝多點位移計進行檢測，檢測周期為15d，試驗段所得監測數據整理如圖6所示。

圖6 掘進過程中巷道斷面圍巖變化

由圖6可知，巷道頂板下沉量隨時間增長逐漸增大，最后穩定在33.8mm，兩幫移近量隨時間逐漸增大，最后穩定在9.44 mm。通過對試驗段的跟蹤監測，發現試驗段巷道頂板穩定性良好，巷道頂板沒有出現任何裂縫，巷道兩幫也沒有片幫情況出現。說明在15天內巷道頂板及兩幫一直處于不斷變形的階段，隨著時間的推移最終位移趨于穩定[4]，圍巖變形將得到良好的控制。

綜上，在應用優化后的支護方案后，巷道兩幫及頂底板的變形均控制在允許范圍[5]，能夠滿足巷道通風及行人的要求，雖然靠近工作面側的巷幫深基點變形較大，但是整體性良好，因此2-1012巷道支護合理，在掘進過程中能夠保證巷道正常安全的使用。

4 結語

紫晟煤業2-1012回風巷道在掘進過程中，發現在原支護方案下，巷道出現鼓出、破碎的現象，圍巖變形嚴重，通過現場分析，發現圍巖破壞的主要原因是由于受掘進影響，圍巖應力得到釋放，使巷道應力強度大于巖石強度，圍巖承受圍巖力而產生破壞。所以通過錨桿支護配合W鋼帶和金屬網進行巷道頂板控制，并且在巷道頂角處補加錨索，加強對巷道頂板圍巖的控制。經過數值模擬及現場應用實測發現該支護體系能夠保證2-1012回風巷道正常使用。