深部巷道圍巖穩定性控制研究

李 杰

(山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 洪洞 041600)

近幾年煤礦開采的深度逐漸加大，巷道圍巖所處的地質環境也隨其埋深的加大發生了根本變化，多數巷道表現出非線性大變形特性，圍巖大多處于峰后階段，巖體裂隙發育，承載性能較低。目前國內外專家學者對深部大變形巷道的相關問題進行了很多研究[1-6]。由于礦井地質條件的多變性，使得巷道圍巖維護狀況難以令人滿意，對于深部圍巖峰值強度后巷道失穩全過程的巷道圍巖-支護相互作用規律的研究不足，深部峰后圍巖大變形巷道的穩定性控制需做深入的研究。山西焦煤霍州煤電霍寶干河煤礦2號煤層埋深較大，頂板以泥巖為主，底板為砂質泥巖，井田地質構造比較復雜，以簡單開闊的褶皺伴有較密集的大、中型斷層為主，巷道圍巖呈松散狀支護情況不佳。本文以此為工程背景，采用數值模擬與現場監測相結合的方法，對深部峰后巷道圍巖的破壞特征及穩定性控制進行研究分析。

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電霍寶干河煤礦2號煤層平均厚度3.75 m，平均傾角9°，工作面地面標高+517～+602 m，井下煤層底板標高為+102～+172 m，工作面采用一次采全高走向長壁后退式綜合機械化采煤法。

2號煤層回風大巷的斷面尺寸為5 m×4 m，全斷面采用高預緊力鋼絞線錨索與錨網噴組合而成的支護；錨桿采用D18 mm×1 700 mm的左旋螺紋鋼，間排距為800 mm×800 mm，預緊力大小為30 kN，球型托盤尺寸為150 mm×150 mm×10 mm；錨索采用D17.8 mm×6 500 mm的1×7股鋼絞線，間排距為1 600 mm×1 600 mm，預緊力大小為120 kN；底板澆筑厚度為100 mm的混凝土封層。巷道原支護布置如圖1所示。

圖1 巷道原支護布置(mm)

在大巷掘進約40 m時，采用CHK(2.7B)礦用鉆孔成像儀對巷道圍巖進行了窺視。根據窺視結果可知，巷道圍巖分區破裂現象十分明顯。在淺部0～1.5 m范圍內圍巖破碎嚴重，1.5～4.5 m范圍巖層內裂隙較為發育，4.5～6 m范圍內偶有裂隙且呈不連續狀態，6 m之外圍巖基本呈完整狀態。

巷道圍巖發生失穩破裂的主要原因是高地應力的存在，為確定巷道圍巖所處的原巖應力屬性，采用水壓致裂法進行了測試。經測試，回風大巷所處地層地應力處于高位，最大主應力為水平應力，應力方向為NE73～85°，地應力對巷道圍巖變形失穩有顯著影響，所以有必要采取有效的支護措施控制巷道圍巖的變形失穩。

2 優化支護方案

密度大、強度高的錨桿可以將淺部碎裂的巖體擠壓形成錨固體，可發揮出類似“組合梁”的承載作用，從而提高淺部圍巖的承載能力；同時采用錨索使其懸吊于深部巖層中，在錨索錨固圍巖體的范圍內，其形成了類似“承載拱”的結構。淺部“梁”和深部“拱”二者相互作用，組成巷道圍巖承載的主體結構，確保巷道圍巖的穩定性。

深-淺耦合全斷面錨噴網注支護技術，可以在巷道圍巖中構建剛柔“雙殼”封閉式承載體系，各支護形式在時間上以及空間上相結合，使得支護體系和巷道圍巖在剛度、強度以及結構上共同發揮作用，同時發揮出巷道圍巖的自承載能力，確保巷道圍巖的長期穩定性。其中，錨桿支護、分區注漿加固及鋼筋噴層護表分別是承載結構的主體和輔助措施。

優化支護技術如圖2所示，內層錨桿和外層錨桿交錯布置，其間排距分別為：600 mm×600 mm、600 mm×800 mm；總的注漿層厚度和淺部注漿層厚度分別為6.5 m、2.4 m，混凝土的噴層厚度為240 mm，三者之間共同發揮作用，增強巷道圍巖的自承載能力，提高巷道圍巖的穩定性。

3 數值模擬

3.1 模型建立

根據實驗所測得相關地質參數，運用FLAC3D數值模擬軟件對兩種方案下的巷道圍巖穩定性進行對比研究分析。

圖2 優化支護技術

所建三維模型尺寸為40 m×30 m×40 m，共劃分為65 000個單元，73 280個節點；模型的上表面與左右界面均為應力邊界條件，上表面施加大小為16 MPa的載荷，左右邊界施加大小為21 MPa的載荷，模型底面和前后兩個面設定為固定位移約束。鋼帶、錨桿、混凝土噴層分別使用Beam、Cable、Shell結構單元。模擬所用各巖層物理力學參數見表1。

表1 各巖層物理力學參數

3.2模擬結果

原支護方案與優化支護方案下巷道圍巖的豎向位移分布云圖如圖3所示。由此可以看出，在原支護方案下，巷道頂板一定范圍內出現較大的沉降，最大沉降值約為28 mm，位于巷道頂板的中央位置；在巷道的底板位置發生隆起變形，且有增大的趨勢；采用優化支護方案后，巷道頂板最大沉降值仍位于巷道頂板的中央位置，但最大沉降值變為約11 mm，減小了約60.7%，同時巷道底板隆起的位移值以及其影響范圍都明顯減小，這說明采用優化支護方案可以促進巷道圍巖的穩定性。

圖3 巷道垂直位移分布云圖

兩種支護方案下圍巖塑性區分布云圖如圖4所示。由圖4可以看出，采用優化支護方案后，頂板、幫部、底板塑性區范圍分別減小了約57.1%、54%、52.5%。

圖4 巷道塑性區分布

4 現場監測

采用優化支護方案后，對巷道圍巖表面位移進行了監測，監測結果如圖5所示。由圖5可以看出，巷道圍巖穩定后，其收斂速率逐漸降低為1.2 mm/d，頂板、兩幫位移最大值分別為60 mm、34 mm，其總體變形量不大。同時巷道的噴層結構也沒有發生開裂等破壞，巷道圍巖變形得到了十分有效的控制。

圖5 巷道圍巖變形量曲線

5 結 語

1) 建立深-淺耦合全斷面錨噴網注支護體系，并通過數值模擬證明了采用優化支護方案后可對圍巖穩定性起到積極的作用。

2) 現場監測結果表明，巷道圍巖變形量較小，巷道支護結構沒有發生開裂破壞等現象，巷道圍巖的變形得到了有效控制，進一步驗證了優化支護方案的可行性。