潞寧煤礦22117回風順槽圍巖控制技術研究與應用

王保國

（山西潞安集團潞寧忻峪煤業有限公司，山西 寧武 036706）

1 工程概況

山西潞安集團潞寧煤業22117工作面位于二二采區，工作面傾斜長度235 m，走向長度1 460 m，開采2號煤層，煤層均厚4.3 m，平均傾角4°，屬穩定煤層，一般不含夾石，局部含1層夾石；頂板巖層為炭質泥巖和粉砂巖，底板巖層為泥巖和砂質泥巖；工作面采用一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板。22117回風順槽主要為22117工作面提供通風、行人及運輸的服務，巷道長度為1 460 m，巷道斷面為矩形，凈寬×凈高=6 000 mm×4 700 mm，巷道斷面相對較大，且頂底板巖層較為軟弱，故為保障巷道在采動影響下圍巖變形量滿足使用要求，特進行圍巖變形破壞機理及控制方案分析與設計。

2 圍巖變形破壞機理

2.1 圍巖變形破壞形式

1）兩幫變形破壞形式：回采巷道開挖后，巷道圍巖的應力會重新分布，巷道兩幫會承載覆巖的自重載荷，兩幫圍巖強度較低時，圍巖在水平應力的作用下發生彈塑性變形。進而在圍巖內形成彈性區域塑性區，淺部圍巖在應力作用下出現拉裂破壞，淺部圍巖體的破壞會增大巷道的跨度，從而進一步加大頂底板的變形，兩幫圍巖變形破壞形式如圖1所示。

圖1 兩幫圍巖變形破壞示意圖

根據22117工作面回采順槽巖層賦存特征可知，巷道頂底板巖層較為松軟，即頂底板相對不穩定，在該狀態下兩幫變形形態如圖1（a）所示；另外巷道兩幫圍巖在水平應力和覆巖荷載的作用下會出現一系列的剪切破壞，由于兩幫圍巖相對較軟弱，圍巖在應力作用下會沿著節理面出現塑性剪切破壞，最終致使兩幫圍巖逐漸向巷道內部移動變形[1-3]，具體變形形式如圖1（b）所示。

2）頂板變形破壞形式：回采巷道開挖后，頂板巖層在覆巖載荷和水平應力的影響下，巖層會產生一定的拉應力，當拉應力超過巖層自身所能承受的極限荷載時，此時頂板變形發生拉裂破壞[4]，根據22117回風順槽兩幫圍巖不穩定的特征，頂板巖層在應力下拉伸變形、冒落形式如圖2（a）所示；頂板剪切破壞形式如圖2（b）所示。

圖2 頂板巖層拉裂和剪切破壞示意圖

2.2 變形破壞機理

根據22117回采順槽的地質條件可知，巷道頂底板巖層較為軟弱，巷道開挖后，應力會重新分布，圍巖中的弱結構體會在應力作用下發生，進一步變形即表現為圍巖的變形破壞，圍巖中的弱結構體主要包括：巖性弱結構、幾何弱結構和應力弱結構[5]；結合22117回風順槽的地質條件，現主要對巖性弱結構進行分析，建立頂板復合巖性弱結構受力力學模型如圖3所示，圖中l為回采巷道的寬度；σh為頂板巖層所受的水平向地應力；σv為巷道圍巖壓力；h為巷道的高度。

圖3 頂板弱結構受力力學模型圖

根據圖3中的力學模型，可計算推導出巷道上下邊緣應力的表達式為：

式中：σ為巷道上下邊緣應力；M為最大彎矩值；W為頂板抗彎截面系數；k為側壓力系數；d為頂板巖層厚度；其余符合含義同上。

巷道在覆巖荷載作用下，取順槽方向單位厚度為研究對象，可計算得出頂板曲率半徑表達式為[6]：

式中：ρ為頂板曲率半徑；I為頂板的慣性矩，E為頂板圍巖的彈性模量。

在頂板巖層變形時，各個巖層的曲率半徑均相同，則有：

另外根據每個巖層所受彎矩之和即為總彎矩，即M=M1+M2+M3，結合式（2）～（3）可計算出各巖層彎矩表達式為：

進一步結合式（4）和（1），可得出巷道上下邊緣的應力表達式為：

分析式（5）可知，回采巷道頂板巖層的受力狀態主要受到水平地應力和圍巖壓力的影響，在工程實踐中，回采巷道頂板的失穩破壞即為水平地應力和巷道圍巖壓力的共同作用結果，分析掌握圍巖的受力狀態是保障圍巖穩定的基礎。

3 圍巖控制方案及效果

3.1 圍巖控制方案

根據22117回風順槽的地質條件，結合上述圍巖變形破壞機理的分析結果，確定回風順槽采用錨網索支護方案，具體支護參數如下：

1）頂板支護：采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規格為?22 mm×2 100 mm，間排距為1 000 mm×900 mm，采用數值加長錨固，預緊扭矩為250 N·m；錨索采用高強度低松弛1×7股鋼絞線，規格為?17.8 mm×6 500 mm，間排距為2 500 mm×1 800 mm，錨索布置在2排錨桿的中間部位，采用樹脂加長錨固，預緊力為150 k N，錨桿、錨索之間采用鋼筋梯子梁進行連接，頂板表面采用8號鉛絲網進行護頂。

2）兩幫支護：回采幫采用玻璃鋼錨桿，規格為?22 mm×1 500 mm，間排距為1 000 mm×900 mm，錨固方式為端頭錨固，預緊力矩為150 N·m，為方便回采作業的進行，表面采用塑料網進行護表；煤柱幫錨桿采用圓鋼錨桿，規格為?16 mm×1 500 mm，間排距為1 000 mm×900 mm，采用端頭錨固，預緊扭矩為150 N·m，表面采用8號鉛絲網進行護表。

具體22117回風順槽的支護參數見圖4。

圖4 22117回風順槽支護斷面圖

為確保22117回風順槽支護方案的合理性，根據巷道的地質條件，采用F LAC3D數值模擬軟件，建立長×寬×高=378 mm×100 mm×100 m的數值計算模型，固定模型底部位移，模型兩側固定其側向位移，在模型頂部施加自重載荷的應力，并在水平方向施加水平荷載，模型建立完后，進行巷道的開挖支護作業。

根據數值模擬結果能夠回風順槽在現有支護方案下水平位移、豎直位移及塑性區分布狀態如圖5。

圖5 巷道圍巖位移及塑性區分布圖

分析圖5可知，巷道在該種支護方案下頂板下沉量和底板鼓起量的最大值分別為17.47 mm和11.81 mm，兩幫移近量的最大值為23.3 mm，巷道頂底板及兩幫變形量均較小，這即表明巷道采用該種支護方案可有效控制頂底板及兩幫圍巖的變形；另外從圖5中能夠看出，巷道在該種支護方案下頂板、底板及兩幫塑性區最大深度分別為1.5、0.3、0.9 m，塑性區均位發育到錨桿錨固區域，可實現錨桿（索）主動支護對圍巖的控制效果；基于上述分析可知，該種支護方案具有可行性，可保障圍巖的穩定。

3.2 效果分析

為驗證22117回風順槽在現有支護方案下的圍巖控制效果，根據數值模擬結果可知，掘進期間圍巖變形量較小；為進一步驗證支護效果，在工作面回采期間進行巷道圍巖變形量的監測，測站布置在距離工作面前方100 m位置處，共計布置2個測站，具體圍巖變形-距回采工作面距離曲線如圖6所示。

圖6 巷道圍巖變形-距工作面距離曲線圖

分析圖6可知，隨著工作面回采作業的進行，巷道頂底板及兩幫變形量均逐漸增大，在監測斷面與工作面間的距離大于65 m時，圍巖變形量較小；小于65 m時，頂底板及兩幫變形速率均逐漸增大；距離為20 m時，巷道斷面處于超前支承壓力的峰值區域，頂板下沉量最大為180 mm，兩幫最大移近量為142 mm，巷道圍巖變形量滿足回采巷道使用要求。

4 結論

根據22117回風順槽地質條件，通過理論分析進行圍巖變形破壞機理的分析，得出頂板及兩幫巖層拉伸及剪切破壞的形態，影響頂板巖層穩定的主要因素，結合圍巖變形破壞機理進行錨桿（索）支護方案設計，并采用數值模擬驗證支護方案可行性，根據工作面回采期間巷道圍巖變形量可知，巷道在該支護方案下，圍巖變形滿足回采巷道使用要求，保障了巷道圍巖的穩定。