巷道圍巖變形破壞特征及支護方案研究

徐付軍

(河南能源化工集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

隨著我國煤礦綜合機械程度有較大的提高，巷道的回采速度也逐漸增大，但是巷道掘進速度無法完全匹配開采速度，影響了煤礦的整體開采速度。我國煤礦早在20世紀50年代對煤礦巷道支護進行了研究，在錨桿初期，主要使用機械錨桿、樹脂錨桿、縫管式錨桿等，隨著煤礦開采技術的進步，錨桿支護理論逐漸由組合拱理論、懸吊理論、組合梁理論發展為最大水平地應力和圍巖松動圈知乎理論，深入的分析了巷道圍巖和錨桿—索的關系及錨桿支護圍巖穩定機理，改善了錨桿—索的支護巷道的效果[1-3]。鑒于此，本文研究了巷道圍巖變形破壞特征及支護方案，理論分析了巷道圍巖變形破壞特征，得到了巷道塑性區和原巖應力關系，數值模擬了不同巷道支護下巷道垂直應力分布情況，并進行了現場實測。研究為類似工程條件下巷道支護方案設計提供了理論支持。

1 工程概況

研究對象為某礦膠帶運輸巷，主要滿足綜采工作面設備安裝、管線鋪設、運輸、行人和通風等。煤層傾角為0～3°，煤層堅固性系數為3.5，煤層層理發育，絕對瓦斯涌出量1.87 m3/min。煤層底板為粉砂巖，含煤屑及植物化石碎片，具有滑面，深灰色，厚13.3 m；煤層基本頂為細粒砂巖，中間夾薄層粉砂巖(厚度約0.28 m)，水平及小微波狀層理，泥鈣質膠結，淺灰色，平均厚度20.4 m。巷道凈寬5.4 m，凈高2.8 m。巖層物理力學性質見表1。

表1 巖層物理力學性質Tab.1 Physical and mechanical properties of rock formation

2 巷道圍巖變形破壞特征

當巷道開挖后，根據巷道不同的圍巖破壞變形特征，可將巷道圍巖變形分為結構變形、彈塑性變形和碎脹變形。其中，彈塑性變形最為常見，當巖體未受到影響時，處于原巖應力狀態，此時巖體處于彈性階段，經過開挖后，巷道圍巖出現塑性區，具體表現為3個階段[4-6]：初始劇烈變形、中期緩慢變形、末期穩定變形。巷道圍巖變形速率如圖1所示。

圖1 巷道圍巖變形速率Fig.1 Deformation rate of roadway surrounding rock

經過3個階段，巷道圍巖應力狀態由高應力轉變為地應力，巷道出現較大的變形，因此需要采用外力支護來緩解巷道圍巖的蠕變，根據巷道圍巖性質，主要采用錨網噴支護、錨桿支護和工字鋼支護等抑制巷道圍巖的蠕變。

巷道圍巖受力狀態可簡化為巷道受力模型(圖2)，圖2中，P為原巖應力，a為巷道半徑，(r，θ)為塑性區邊界任一點極坐標。當巷道圍巖達到極限狀態時，巷道強度并沒有完全消失，而是隨著變形的增加逐漸降低。

圖2 巷道受力模型Fig.2 Roadway force model

在各向等壓情況下，巷道塑性區半徑計算公式為：

(1)

式中，r為巷道塑性區半徑；C為圍巖的黏聚力；φ為圍巖的內摩擦角；a為圓形巷道半徑；Pi為支護阻力；P為原巖應力。

由式(1)可知，巷道塑性區和原巖應力呈正比，隨著開采深度的增大，巷道塑性區范圍逐漸增大。

3 巷道支護模擬效果分析

3.1 不同支護方案下巷道垂直應力分布

本文采用FLAC3D數值模擬軟件[7-10]，分析了巷道支護的可行性以及快速支護的必要性，模擬分析了4種方案：方案1為低強度錨桿支護方案，方案2為高強度支護方案，方案3為在方案二的基礎上增加了肩角的錨桿，方案4為在方案3的基礎上增加了1根高應力錨索。4種方案的錨桿采用直徑為18 mm、長2 100 mm的Ⅱ級螺紋鋼筋錨桿，錨索采用直徑為15.24 mm、長7 300 mm的鋼絞線。各支護方案如圖3所示。

圖3 各支護方案示意Fig.3 Schematic of each supporting plan

不同支護條件下巷道垂直應力分布情況如圖4所示。由圖4可知，方案4的支護效果最佳，增加了頂角處錨桿，使頂角應力集中效應減弱，應力集中區范圍減小；增加錨索，使巷道頂板應力得到了有效的控制。

圖4 不同支護條件下巷道垂直應力分布情況Fig.4 Distribution of vertical stress in roadway under different supporting conditions

3.2 及時支護必要性分析

巷道掘進速度和巷道支護速度決定著巷道安全掘進的重要因素，為了驗證及時支護必要性，本文分別模擬分析了4種滯后支護的安全性，分別為滯后0、3、5、7 m，主要從巷道頂板垂直應力分布情況進行研究，然后對頂板垂直應力進行二次處理，得到三維應力云圖。不同滯后支護方案下巷道頂板垂直應力分布如圖5所示。

圖5 不同滯后支護方案下巷道頂板垂直應力分布Fig.5 Vertical stress distribution of roadway roof under different lagging supporting schemes

由圖5可知，隨著滯后支護距離的增大，巷道頂板的垂直應力范圍越大，垂直應力越大，并且在滯后支護7 m時，出現垂直應力降低區，距掘進面3.5～4.0 m位置，表明巷道頂板出現垮落的圍巖，但是在及時支護和滯后3 m支護情況下，均未出現應力降低區，表明及時支護可能降低巷道頂板的垮落及巷道圍巖的變形。

4 現場實測分析

根據數值模擬分析，巷道采用方案4支護，在巷道的兩幫和頂板設置了測站，總共有9個測試斷面，測站距離為5 m，得到了巷道位移曲線(圖6)。

圖6 巷道位移曲線Fig.6 Displacement curve of roadway

由圖6可知，在采用優化后支護方案下，巷道圍巖變形量小，該方案能夠有效抑制巷道變形。

5 結語

本文理論分析了巷道圍巖變形破壞特征，基于此，數值模擬了4種方案下巷道垂直應力分布情況，得到了針對此礦的最優巷道支護方案，并進行了及時支護必要性分析，最后進行現場實測分析，表明該支護方案的可行性。研究為深部巷道的合理設計提供了指導。