基于地應力的巷道圍巖支護設計及校核

王 楊

(山西晉煤集團趙莊二號井，山西 長治 047100)

0 引 言

井下工作面回采期間，其兩側的平巷對于工作面的服務作用不言而喻，只有當工作面兩側的平巷圍巖結構完整性較高、收斂位移量較小時，巷道才能夠較好的完成行人、運輸、通風等作業要求[1-2]。在我國礦山巷道支護方面，采用較多的為錨桿/索支護方法，如何合理的設計錨桿/索參數，以及對設計方案合理性的校核，對于巷道圍巖支護設計的意義十分重要。

本文綜合考慮鉆孔地質勘測和地應力測試結果，在此基礎上對于巷道掘進方向及圍巖支護方案進行了設計。后續通過數值模擬和現場礦壓觀測相結合的手段，對于支護方案的合理性進行了驗證。研究結果為具有類似地質條件巷道圍巖的支護設計提供了借鑒和指導意義。

1 工程地質概況

山西晉煤集團趙莊二號井目前主采2301 工作面位于井田內的西翼盤區，該工作面沿傾向寬為155m，沿走向長為595m，其主采3# 煤層平均厚度為4.26m，平均傾角為3°。2301 工作面內運輸平巷和回風平巷服務于工作面開采期間，因此對于工作面兩側平巷的支護質量有較高的要求。根據2301 工作面內的鉆孔柱狀圖揭示情況，可知2301 工作面煤層頂底板巖性分布情況如表1。

表1 2301 工作面煤層頂底板巖性情況

由表1 可知，2301 工作面內煤層直接頂板為中厚層狀半堅硬頂板，但受到煤層巷道沿頂板掘進影響，其頂板巖層較為破碎；同理可知巷道底板為中厚層狀堅硬底板，底板破碎程度較頂板輕微；由于煤層普氏系數大于1，且單軸抗壓強度測試結果為14.0 MPa，由此可見工作面主采3#煤層屬于硬煤，煤體完整性較好。

2 水平構造應力對巷道影響分析

趙莊二號井井田內地應力情況根據之前在井底車場配風巷內（第一測站）、1304 外回風平巷內（第二測站）和東軌大巷內（第三測站）三個地點的測試結果所確定，其具體測試參數情況如表2。

表2 趙莊二號井地應力測試結果

由表2 可知，三個測站中最大水平主應力的最大值為14.78 MPa，最小值為13.02 MPa，其對應的垂直應力為10.15 MPa 和11.95 MPa，可以計算得到該井田的側壓系數λ 取值范圍為1.09～1.46，以水平構造應力為主。

根據趙莊二號井現場地應力測試結果，分別對側壓系數λ 取值為1.1、1.2、1.3、1.4 和1.5 時的5 種情況進行數值模擬，并對巷道底板塑性區范圍進行監測，結果如圖1。

圖1 不同側壓系數λ 時巷道底板塑性區演化規律

由圖1 可知，當側壓系數λ 值由1.1 增大至1.5時，期間其底板塑性區深度增幅依次為17.6%、20.4%、22.5%和25.4%，可見底板塑性區深度隨著側壓系數λ 值的遞增而增幅加劇，這意味著在較高的側壓系數λ 值影響下，巷道底板破壞深度急劇加大，進而造成巷道底板煤巖體的不穩定，為后續底板事故的發生埋下隱患。

當巷道底板破壞深度較大時，隨著工作面的回采，巷道底板極易受采動影響形成的高集中靜載和劇烈動載疊加擾動影響而誘發底板沖擊事故，關于巷道底板的受力破壞機理如圖2。

圖2 巷道底板破壞力學模型[3]

由圖2 可知，在較高的側壓系數λ 值影響下，巷道底板煤巖體深度方向大范圍處于塑性破壞狀態，此時頂板破斷會產生較為劇烈的動載荷σd，并且會增大覆巖對巷道兩側煤體的垂直壓應力σy，其與較高的水平構造應力σx共同疊加作用下會造成已處于塑性破壞狀態的巷道底板煤巖體瞬間滑移涌入巷道自由空間內，進而造成巷道底板沖擊事故。

在對巷道掘進方向進行設計時，要讓巷道掘進方向盡量與水平構造應力方向相一致。由表2 可知地應力測試的最大水平主應力方向均為北偏東方向，因此將2301 工作面兩側平巷掘進布置為北偏東方向，這樣巷道底板受到的側壓系數較小，底板內煤巖體處于塑性破壞的深度也較小，有利于后期回采期間巷道底板的維護。

3 支護參數的確定

根據表1 所示的2301 工作面煤層頂底板巖性情況，并根據鄰近盤區的支護方案及可錨性試驗結果，對2301 工作面兩側平巷支護方案進行了初步設計，如圖3。其中錨桿的初始錨固力不低于150kN，初始預緊力矩范圍為300～400N·m，錨索的初始預緊力不低于250kN。

圖3 巷道詳細支護方案

4 支護方案數值模擬校核

基于巷道凈斷面尺寸以及表1 所示的2301 工作面煤層頂底板巖性情況，采用Flac3D 軟件建立三維數值模型。根據彈性力學中的偏應力定義可知，第二偏應力能夠直觀的表示出巖體受到剪切應變作用時變形破壞的本質特征[4-5]，因此對數值模擬運輸結果采用如式(1)所示的第二偏應力計算公式進行求解計算，再采用相應的后處理軟件對數據進行云圖化，最終得到的巷道圍巖第二偏應力云圖如圖4。

式中：σ1、σ2和σ3分別表示數值模擬運算求解得到的巷道圍巖中第一、第二和第三主應力的大小，MPa。

圖4 巷道圍巖第二偏應力分布云圖

從圖4 中2301 工作面兩側平巷（膠帶平巷、軌道平巷）圍巖中第二偏應力演化規律可以看出，巷道圍巖中第二偏應力值整體較小，基本上均小于5 MPa。這表明巷道圍巖在該支護方案下并未受到大范圍剪切應變而十分碎裂，巷道圍巖完整性較好，該支護方案能夠有效控制巷道圍巖受力情況。

圖5 巷道圍巖塑性區分布情況

從圖5 中2301 工作面兩側平巷（膠帶平巷、軌道平巷）圍巖中塑性區分布規律可以看出，巷道圍巖中拉伸和剪切破壞范圍整體較小，巷道頂板塑性區深度僅為3.4 m，實體煤幫塑性區深度僅為2.5 m，均處于較小的破壞范圍。

可見，從第二偏應力和塑性區分布的角度均可以看出該支護方案對于巷道圍巖起到了很好的控制效果，巷道圍巖在該支護方案下圍巖應力環境良好，而良好的應力環境也保護了巷道圍巖受拉剪應力作用而出現大范圍塑性破壞的可能性。

5 現場礦壓觀測

后續現場2301 工作面掘進期間，通過在掘進工作面后方50 m 位置處的巷道兩幫和頂底板中間位置處安裝楔形倒釘，并通過十字觀測法[6]來對巷道圍巖收斂位移量進行觀測。分別在膠帶平巷和材料平巷內各布置3 個測站，通過對觀測的數據進行匯總平均化，可以得到巷道圍巖表面收斂位移量隨時間的變化曲線，如圖6。

圖6 巷道圍巖收斂量觀測結果

由圖6（a）可知，2301 工作面膠帶平巷圍巖表面收斂位移量在巷道掘出后60d 時開始趨于穩定，最終巷道水平收斂位移量為104mm，底板鼓起位移量為191mm，頂板下沉位移量為35mm，膠帶平巷整體收斂位移量均較小，整體收斂位移量控制在5%以內；由圖6（b）可知，2301 工作面材料平巷圍巖表面收斂位移量在巷道掘出后80d 時開始趨于穩定，最終巷道水平收斂位移量為55mm，底板鼓起位移量為67mm，頂板下沉位移量為15mm，材料平巷整體收斂位移量也均較小，整體收斂位移量同樣也控制在5%以內。

通過現場采用十字觀測法對巷道圍巖收斂位移量進行觀測，進一步驗證了采用圖3 所示支護方案能夠很好的對巷道圍巖進行有效控制，進而提高巷道圍巖整體完整性結構，使得2301 工作面兩側的膠帶平巷和軌道平巷能夠更好的服務于2301 工作面的回采作業中，為后續工作面回采期間行人、運輸、通風等提供良好的作業環境。

6 結 論

1）通過趙莊二號井地應力測試結果，數值模擬揭示了底板塑性區深度隨著側壓系數λ 值的遞增而增幅加劇，進而造成巷道底板煤巖體大范圍處于塑性狀態。從理論的角度分析了當底板煤巖體大范圍處于塑性狀態時，受回采形成的動靜載疊加擾動作用時，巷道底板極易誘發底板沖擊事故。

2）指出巷道掘進方向與水平構造應力方向相一致時，有利于維護巷道底板的穩定性，進而防范巷道底板沖擊事故的發生。

3）根據鄰近盤區的支護方案及可錨性試驗結果，對2301 工作面兩側平巷支護方案進行了初步設計。并通過第二偏應力和塑性區演化規律校核了巷道圍巖支護方案的合理性。

4）現場礦壓觀測結果表明2301 工作面兩側平巷圍巖收斂量均控制在5%以內，巷道圍巖在該支護方案下圍巖結構穩定性較好，能夠滿足后續行人、運輸、通風要求。