巷道掘進和回采期間對巷道圍巖變形的影響研究

吳巨龍

（晉能控股煤業集團地煤大同有限公司，山西 大同 037004）

引言

錨桿支護作為煤礦巷道的一種主動支護形式[1]，相比于傳統巷道支護方式，錨桿錨索聯合支護不僅能夠明顯提高巷道的支護效果，降低支護成本[2]，還能為快速掘進采煤提供便利條件[3]。錨桿支護的理論有：懸吊理論是將巷道頂部比較脆弱的圍巖通過懸吊作用于堅硬的圍巖上，能夠很好地控制薄弱巖層的下沉現象，實現支護效果。組合梁理論，巷道的支點不僅可以用于承受自身的重量[4]，還可對頂部巖石發揮支撐作用，可借助于錨桿形成的錨固力加大巖層間的摩擦力，提升抗剪切應力。壓縮拱理論，可以在錨桿兩端形成錐形的應力區域，若錨桿間間隔又比較小時，不同錨桿間會形成重疊的錐形區域，使巷道連續出現壓縮拱現象，可提升圍巖的強度，還可加強巷道的支撐水平。最大應力機制，其中，水平應力是影響巷道圍巖穩固的關鍵因素[5]，當巷道軸線和最大水平應力處于垂直時，巷道受水平應力作用最大；當巷道軸線和最大水平應力處于平行時，巷道受最大水平作用最小；當巷道軸線和最大水平應力有一定夾角時，巷道呈現一邊應力集中，且更容易出現損壞變形。松動圈理論，是利用巷道錨桿支護，圍巖形成的應力大于相對應的強度產生的破壞能力，使松動圈產生，不僅可以避免巖石產生的碎脹力，還可防止圍巖形成的松動圈不斷變大[6]。能量支護理論，當巷道出現形變或者破壞現象時，能夠釋放產能能量，確保巷道能夠始終處于均衡的狀態[7]。為提高巷道支護的效果，本文引入“三高一低”錨桿支護設計理念，即高強度、高可靠性、高剛度和低支護密度[8]，并重點分析支護后巷道在掘進和回采期間巷道圍巖的變形情況，來提升巷道圍巖的穩定性。

1 錨桿支護技術方案的確定

本文以某礦為對象，巷道斷面寬度是5 000 mm，巷道中間高是3 000 mm，且煤層平均傾角是14.5°，煤層老頂為細沙巖，直接頂和直接底均為泥巖，采用“三高一低”錨桿支護設計方案，即高強度、高可靠性、高剛度和低支護密度[9-10]，具體設計方案為：頂部最右方錨桿垂直于頂板巷道方向且成15°角布置，用來加強頂板角部錨桿支護的效果；兩幫最上方和下方的錨桿均與水平方向成20°角布置，用來加強幫部角部錨桿支護的效果。錨桿支護參數為：錨桿排距為900 mm，對于右幫高幫錨桿，錨桿間距是700 mm，數量6 根，長度是2 500 mm；對于左幫低幫錨桿，錨桿間距是700 mm，數量是4 根，長度是2 500 mm；對于頂板錨桿，錨桿間距是800 mm，數量是7 根，長度是2 800 mm，錨索數量是2，錨索間距是3 m，錨索長度是6 300 mm。巷道斷面形狀為斜頂梯形，且兩腰均與底邊垂直，具體的錨桿支護斷面示意圖如圖1 所示。

圖1 巷道錨桿支護斷面示意圖（單位：mm）

為便于分析巷道在掘進和回采期間巷道圍巖的變形情況，得到錨桿支護技術對巷道穩定性的控制效果，本文選用十字交叉方法對巷道位移的斷面進行監測，如下頁圖2 所示，具體步驟為：將A、B 之間采用繩子拉緊測量，C、D 之間采用鋼卷尺拉緊測量，測量得到CD 與CO 的大小值；將C、D 之間采用繩子拉緊測量，A、B 之間采用鋼卷尺拉緊測量，測量得到AB與AO 的大小值；對于作業面回采期間巷道圍巖變形測量，監測區間范圍為作業面回采的250 m 范圍內。

圖2 巷道表面位移監測的斷面布置示意圖

2 對巷道圍巖變形情況的分析研究

2.1 巷道掘進期間對巷道圍巖變形的影響

圖3 為巷道頂底板及兩幫位移量隨掘出時間的變化曲線。從圖3 中可看出，在巷道掘出50 d 時間內，隨時間的增長，曲線的變形斜率逐漸減小，這就表明巷道變形速度隨時間增長是逐漸減小的，且在掘出50 d 左右，巷道變形量近似于達到穩定狀態，頂底板最終位移量大小為348 mm，兩幫為318 mm。此外，從圖3 中還可看出，當掘出時間為10 d、20 d、30 d、40 d和50 d 時，頂底板位移變化量分別是175 mm、280 mm、309 mm、339 mm 和348 mm；而兩幫位移變化量分別是140 mm、216 mm、247 mm、306 mm 和318 mm，由此可見，巷道變形主要集中在掘出后的20 d，頂底板變形量約占巷道整體變形量的80.4%，兩幫變形量約占67.9%，因此，巷道變形歷經三個時期，即變形劇烈期、緩和期及穩定期，掘出20 d 后，巷道變形相比于20 d 之前的變形量，變化相對較小，即進入緩和期；當到達50 d 后，巷道變形量基本穩定，即進入穩定期。

圖3 巷道表面位移隨掘出時間的變化曲線

2.2 巷道回采期間對巷道圍巖變形的影響

本文從距離作業面250 m 左右范圍內對巷道圍巖的變形情況進行監測，得到如圖4 所示的變化曲線。從圖4 中可看出，在距作業面回采的250 m 區間內，可分為非采動影響區、采動影響穩定區以及采動影響劇烈區。

圖4 巷道表面位移隨測點到作業面距離的變化曲線

對于非采動影響區，測點和作業面距離200 m 以外的區間內，巷道頂底板和兩幫位移變形量大小都在20 mm 以內，此區間可以說是不受采動的作用影響；對于采動影響區，測點到作業面距離為100～200 m區間的范圍內，巷道頂底板和兩幫位移變形量大小分別約是30 mm、130 mm，相比于非采動影響區200 m以外的巷道變形量，出現明顯增加；對于采動影響劇烈區，測點到作業面距離100 m 的區間內，巷道頂底板和兩幫位移變形量大小分別約是290 mm、900 mm，巷道圍巖變形量急劇增加，受作業面采動作用影響比較大。

3 結論

本文以某礦為對象，采用“三高一低”的錨桿支護設計方案，并重點分析支護后巷道在掘進和回采期間巷道圍巖的變形情況，得到巷道穩定性的控制效果，結論是：

1）在掘成后的50 d 時間內，巷道表面變形歷經三個時期，即變形劇烈期、緩和期及穩定期，巷道變形主要集中在掘出后的20 d 時間；掘出20 d 后，巷道變形進入緩和期；掘出50 d 后，巷道變形進入穩定期。

2）在距作業面回采的250 m 區間內，可分為非采動影響區、采動影響穩定區以及采動影響劇烈區，測點到作業面距離200 m 以外不受采動影響；測點到作業面距離100～200 m 區間內受采動影響明顯增加；測點到作業面距離100 m 區間內受采動影響明顯。