軟巖穿層巷道非對稱變形穩定性控制技術研究

劉耀輝

（山西潞安環保能源開發股份有限公司五陽煤礦，山西 長治 046200）

0 引言

煤炭在國家能源排名中仍然占據主導地位[1-2]。隨著中國經濟的快速發展，對能源的需求與日俱增[3-4]。隨著開采深度的不斷增加，五陽煤礦面臨的開采困難日益增加，軟巖巷道掘進是目前急需要解決的一個重大難題[5-6]。軟巖巷道掘進面臨著頂板支護困難，巷道底板泥化嚴重等一系列嚴重問題[7]。雖然有的礦井采取了一些解決手段，但由于我國的礦井自然條件不同，導致面臨的軟巖問題也各不相同[8]。76.2 號區段2 號總回風巷作為五陽煤礦的一個工作面，掘進期間遇到穿過泥巖、砂質泥巖、細粒石英砂巖等多種巖層的情況，掘進難度增加，掘進效率直接影響著正常采掘持續，如何采取合理、有效的掘進方法尤為重要[9-10]。

1 概況

山西潞安環保能源開發股份有限公司五陽煤礦位于山西省襄垣縣境內，是一座大型礦井，地理坐標為：東經112°58′25″～113°05′09″，北緯36°26′46″～36°33′47″。礦井開采對象主要為山西組中下部3 號煤層，煤層賦存穩定，煤巖類型以亮煤為主，暗煤次之，煤質為貧廋煤。

煤層偽頂為炭質泥巖，厚度約0.2～0.3 m，平均0.25 m；直接頂為泥巖及砂質泥巖，厚度2.04～4.15 m，平均2.96 m；老頂為砂質泥巖及細粒石英砂巖，厚度5.43～10.25 m，平均7.51 m；直接底為砂質泥巖和泥巖，厚度2.75～5.4 m，平均3.84 m；老底為細粒長石英砂巖，厚度4.12～9.54 m，平均6.52 m。

2 模擬過程及結果分析

2.1 模型建立

巖石力學參數是影響巷道穩定的重要因素，根據五陽煤礦地質報告及相關巖石力學實驗結果進行折減得到相應巖體的力學參數，巖體力學參數見表1。

表1 折減后巖體力學參數Table 1 Mechanical parameters of rock mass after reduction

76.2 號區段2 號總回風巷沿巷煤層傾角-7°～+7°，平均-4°，因此確定數值模擬計算的模型范圍長×寬×高=50 m×10 m×36 m，共50 050個節點，44 400 個單元。其數值模擬模型示意如圖1所示。

圖1 矩形巷道數值模擬模型示意Fig.1 Numerical simulation model of rectangular tunnel

2.2 數值模擬結果分析

根據五陽煤礦76.2 號區段2 號總回風巷圍巖的地質結構和巖石力學參數，通過FLAC3D 等數值模擬軟件建立數值模擬模型，模擬深井復雜地質條件軟巖穿層巷道在不同影響因素下的變形特征、應力與應力場的分布特征，如圖2～圖4所示。

圖2 以泥巖及砂質泥巖為主的穿層巷道位移特征Fig.2 Displacement characteristics of cross-layer roadway dominated by mudstone and sandy mudstone

圖3 以砂質泥巖及細粒石英砂巖為主的穿層巷道位移特征Fig.3 Displacement characteristics of cross-layer roadway dominated by sandy mudstone and fine-grained quartz sandstone

圖4 以砂質泥巖及細粒石英砂巖為主的穿層巷道應力特征Fig.4 Stress characteristics of cross-layer roadway dominated by sandy mudstone and fine-grained quartz sandstone

當將巷道布置在較軟或較硬的巖層中時，巷道所在巖層巖性對巷道變形量及非對稱變形影響較大。在以泥巖及砂質泥巖為主的穿層巷道中靠近泥巖側巷道頂板位移量較大，巷道整體向右偏移；在以砂質泥巖及細粒石英砂巖為主的穿層巷道中巷道頂底板圍巖變形量沒有以泥巖及砂質泥巖為主的穿層巷道圍巖變形大，說明當巖層巖性相差較大時，巷道頂底板位移量在靠近較軟巖層時位移量較大。

在巷道兩側也出現了應力集中區，其中在以泥巖和砂質泥巖為主的穿層巷道中巷道右幫應力較左幫較大，在較高的支承壓力作用下發生破壞，失去承載能力，使得應力峰值向深部轉移，同時自身破碎卸壓，釋放了圍巖應力，使得圍巖中應力集中程度降低。

通過上述對比分析可知巷道所在巖層巖性對巷道的非對稱分布起主導作用，且軟巖巷道因難以承受高應力而發生破壞，使得應力向內部轉移，而當巷道巖層為硬巖時，巷道承受較高的應力集中，圍巖完整性較好。

2.3 支護方案設計

根據數值模擬巷道圍巖的非對稱變形破壞情況提出合適的支護方案和支護參數，確定軟巖穿層巷道圍巖非對稱變形的加固控制方案。

頂板支護：在頂板采用桿體為22 號左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為500 號，長度2.4 m，桿尾螺紋為M24。采用樹脂加長錨固，錨固長度1 208 mm，錨固力2 00 kN。錨桿排距1.0 m，每排6 根錨桿，間距0.95 m。采用φ18.9 mm，1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度6.3 m，采用樹脂加長錨固，錨固長度為1 921 mm。

2.4 支護效果分析

通過FLAC3D 數值模擬軟件對五陽煤礦76.2號區段2 號總回風巷圍巖的變形進行模擬，從應力分布特征、位移分布特征分析得出：在不同穿層段的巷道均呈現出了不對稱變形特征，巷道圍巖巖層巖性相差越大，非對稱變形量也越大，非對稱現象越明顯。當采用設計的非對稱支護方案后巷道圍巖受力情況得到改善，巷道頂底板及兩幫位移都會減小，改善了巷道圍巖變形破壞情況，巷道圍巖的非對稱變形得到有效控制。不同條件下對巷道非對稱支護的位移云圖如圖5～圖6所示。

圖5 非對稱支護下以泥巖及砂質泥巖為主穿層巷道位移特征Fig.5 Displacement characteristics of cross-layer roadway dominated by mudstone and sandy mudstone under asymmetric support

圖6 非對稱支護下以砂質泥巖及細粒石英砂巖為主穿層巷道位移特征Fig.6 Displacement characteristics of cross-layer roadway dominated by sandy mudstone and fine-grained quartz sandstone under asymmetric support

3 工業性試驗

3.1 巷道支護參數確定

通過數值模擬、理論分析計算等方法，確定支護方案如圖7所示。錨桿形式和規格：桿體為22號左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為500 號，長度2.4 m，桿尾螺紋為M24。錨固方式：樹脂加長錨固，采用2 支錨固劑。錨桿排距1.0 m，每排6 根錨桿，間距0.95 m。

圖7 矩形巷道錨桿、錨索布置Fig.7 Arrangement of bolt and anchor in rectangular roadway

3.2 巷道變形監測結果

對各個測點的位移進行監測，匯總4-1 號測站、4-2 號測站、5-1 號測站以及5-2 號測站4 個測站的觀測數據所得結果，如圖8所示。

圖8 測站巷道表面位移Fig.8 Surface displacement of station roadway

自巷道開挖以后導致原巖應力的破壞，其巷道的圍巖應力重新分布，巷道斷面開始變形。但是在15 d 以后巷道頂底板以及兩幫變形量不再發生明顯變化，巷道頂底板及兩幫的變形速度逐漸趨于穩定，巷道圍巖整體不再發生劇烈變化。

4 結論

（1） 根據軟巖穿層巷道圍巖變形破壞機理及特征以及數值模擬結果，五陽煤礦76.2 號區段2號總回風巷初步擬定了采用強力錨桿+錨索聯合支護的形式，對比分析了3 種支護參數下的巷道圍巖最大主應力、水平應力、頂底板位移以及兩幫位移分布規律，分別確定了拱形巷道和矩形巷道的最優支護方式和支護參數，工作面穩定性顯著提升。

（2） 引入深部礦山復雜地質條件下軟巖穿層巷道周邊圍巖穩定性控制技術，解決了圍巖控制難、變形不對稱的難題，為煤礦在軟巖的條件下開采建設提供了經驗和重要參考。