中深埋緩傾斜梯形切眼圍巖變形規律及支護技術

于遠祥 廖安全

摘 要：

針對緩傾斜巷道在開挖擾動、孔隙水壓及地應力共同作用下變形破壞的高度復雜性和難以控制的顯著特點，以馬蹄溝煤礦3506工作面緩傾斜梯形切眼為工程背景，基于彈塑性變形理論，建立了垂直地應力、水平構造應力及孔隙水壓共同作用下切眼圍巖受力計算模型。考慮開挖過程中切眼圍巖內摩擦角與黏聚力的擾動劣化效應，推導了非均勻地應力場作用下切眼圍巖的應力和位移解析解，進而針對性地提出了傾斜巷道開挖及其圍巖支護方案。結果表明：開挖方式、地質強度、切眼傾角、地應力、孔隙水壓及巖體應變軟化程度是影響切眼圍巖的應力分布與位移大小的關鍵性因素；傾斜巷道不同斷面位置所受地應力和孔隙水壓存在差異性，不同掘進區段圍巖變形量并不相同，應設計不同的開挖預留量及其支護參數。最后，基于上述理論分析，將馬蹄溝煤礦3506工作面緩傾斜切眼分為4個掘進區段，確定了切眼第一區段至第四區段掘進預留變形量分別為300，260，220及200 mm，切眼圍巖支護加固后，其頂底板最大移近量為204 mm，兩幫最大移近量為165 mm，圍巖變形控制效果良好，滿足現場生產要求。

關鍵詞：緩傾斜煤層；梯形切眼；預留變形量；支護技術中圖分類號：TD 353

文獻標志碼：

A

文章編號：1672-9315（2023）06-1137

-12

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0612開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Surrounding rock deformation law and support technology? of

moderately deep buried gently inclined trapezoidal cut

YU Yuanxiang，LIAO Anquan

（College of Civil and Architectural? Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：

The deformation and failure of gently inclined roadway under the combined action of excavation disturbance，pore water pressure and in-situ stress is highly complex and difficult to control.Taking the gently inclined trapezoidal cut of the 3506 working face in Matigou coal mine as the engineering background，based on the theory of elastic-plastic deformation，a calculation model for the stress on the surrounding rock of the cut under the combined action of vertical geostress，horizontal tectonic stress and pore water pressure was established.Considering the disturbance degradation effect of friction angle and cohesion in the surrounding rock of the cut during excavation，the analytical expression of stress and displacement of the surrounding rock of the cut under the non-uniform geostress field were derived，and a targeted excavation and surrounding rock support scheme for inclined roadway was proposed.The results show that excavation method，geological strength，cut angle，geostress，pore water pressure，and degree of rock strain softening are key factors affecting the stress distribution and displacement of the cut rock mass; there are differences in ground stress and pore water pressure at different sections of inclined roadway，and the deformation of surrounding rock in different excavation sections is not the same.Therefore，different excavation reserves and support parameters should be designed.Finally，based on the above theoretical analysis，the gently inclined cut of the 3506 working face in Matigou coal mine was divided into four excavation sections，and the reserved deformation amounts for excavation from the first section to the fourth section of the cut were determined to be 300，260，220 and 200 mm，respectively.After the reinforcement of the cut surrounding rock support，the maximum displacement of the roof and floor of the surrounding rock is 204 mm，and the maximum displacement of the two sides is 165 mm，the deformation control effect of the surrounding rock is good，meeting the requirements of on-site production.

Key words：gently inclined coal seam；trapezoidal cut；reserved deformation；supporting technology

0 引 言隨著煤炭資源的消耗增加，煤炭開采的地質條件將越來越復雜，新的工程問題不斷出現，傾斜巷道圍巖的穩定性一直是圍繞煤礦生產的重點與難點問題。閆振東等設計了滲水條件下斜井圍巖破壞機理物理模型試驗，模擬了圍巖變形破壞過程［1］；包海玲系統分析了自重應力場下傾斜巷道的應力與位移情況，探討了傾斜巷道圍巖變形破壞規律［2］；伍永平等分析了多次采動條件下急傾斜煤層巷道圍巖失穩破壞機理［3］；陳旭分析了斜井圍巖的變形失穩的主要原因，并提出針對性的支護方案［4］；占有名探究了開挖步距與應力水平對穿越富水層斜井圍巖變形影響規律［5］；王渭明等根據深埋富水巖層中斜井圍巖破壞特征，對塑性區半徑經驗公式進行修正［6］；李晶晶求解了斜井圍巖在均勻應力場和非均勻應力場的彈塑性解析式［7］；崔增輝依托臺格廟礦井建設工程，給出了斜井圍巖變形規律和盾構機管片安全性［8］；葉文登等對穿越煤層傾斜巷道圍巖弱結構進行研究，得到了不同圍巖弱結構塑性區分布及變形規律［9］；高學通分析了煤層開采過程中孔隙水壓力動態變化過程［10］；劉波等基于彈塑性理論，推導出考慮滲流場作用下的斜井圍巖應力、位移解析表達式［11］；熊曉輝等通過多種研究方法預估深埋段煤礦斜井圍巖變形值，并提出相應的技術控制措施［12］；周霏等探討了不同支護條件下的斜井圍巖支護效果，確定了合理的支護方案［13］；郭鵬探討了斜井凍結工程中井壁變形的主要因素，為斜井凍結設計與施工提供指導［14］；高強考慮了傾斜巷道軸向應力，給出了傾斜巷道圍巖的彈塑性應力應變計算式［15］；郝佩采用理論分析、數值模擬與工程實測等多種研究方法，分析了大斷面傾斜巷道圍巖的穩定性，為合理優化支護方案提供依據［16］；馬輝等開展了超大坡度隧道斜井變形監測與數據分析，提出了針對大坡度斜井變形關鍵控制技術［17］；楊仁樹等分析了非均勻應力場作用下斜井井壁應力與位移分布規律［18］；熊咸玉等根據緩傾斜煤層巷道圍巖變形破壞特征，給出針對性的支護措施［19］；馬天壽探究了不同地應力作用下巖石各向異性對井壁破壞的影響規律［20］。以上專家學者對傾斜硐室圍巖的變形破壞規律進行了系統的研究，對工程實踐具有一定的指導意義。但工程實際中，開挖擾動損傷和孔隙水壓對傾斜硐室圍巖的變形破壞及其穩定性具有重要影響，目前尚缺乏考慮擾動損傷和孔隙水壓影響下的傾斜硐室穩定性的研究。基于此，文中以馬蹄溝煤礦3506開切眼工程為背景，建立并簡化傾斜巷道圍巖應力分布力學計算模型，給出圍巖應力、位移計算公式，并提出針對性的圍巖支護技術措施，為有效控制緩傾斜巷道圍巖變形、降低工程成本提供新的技術手段。

1 工程概況3506工作面開切眼位于馬蹄溝煤礦三采區西北部，東南方向為3506工作面未采實體煤。切眼下口設計標高為+1 105 m，上口設計標高為+1 210 m。切眼設計傾斜長度為155 m，傾角為22.1°，埋深440.1～498.4 m，切眼斷面形狀為等腰梯形，其上掘寬為7.2 m，下凈寬為7.6 m，掘進高度為3.0m，掘進斷面積為22.2 m2。切眼布置在5號煤層中，為實體煤層巷道，煤層厚度為14～16 m，頂煤平均厚度為10 m，底煤平均厚度為3 m。煤層老頂為灰色砂質泥巖，厚度大于7 m，砂泥質結構，致密；煤層直接頂為淺灰色粉砂巖，厚度1 m左右，粉砂質結構，較堅硬；煤層老底為砂巖，厚度大于10 m，細粒砂狀結構，鈣質膠結，老底整體堅硬，較穩定；煤層直接底為砂質泥巖，灰黑色，厚度0.5 m左右，致密。5號煤層的頂底板均為弱含水巖層，據鄰近區域水文地質情況分析，該切眼在掘進過程中受上部含水層影響，局部巷道頂板出現滲水現象，傾斜切眼如圖1所示。

2 緩傾斜切眼力學分析模型的建立在不同斷面形狀的硐室等效分析模型方面，李桂臣等提出了“等效開挖”的概念，認為不同斷面形狀巷道與該斷面外接圓同徑的圓形巷道圍巖塑性區分布基本一致［21］；孟慶彬等認為不同斷面形狀巷道圍巖表面位移值主要受巷道無效加固區變形的影響［22］；馬德鵬等發現當垂直方向應力與水平方向應力相等時，不同斷面形狀巷道所釋放的能量相差很小，且圍巖塑性區分布相差不大［23］；郭曉菲等研究了不同圍壓條件下圍巖塑性區分布規律，認為當垂直方向應力與水平方向應力接近或者相等時，不同斷面形狀巷道可近似為圓形巷道形態［24］。因此，當不同斷面形狀巷道圍巖變形計算結果相近時，為便于指導切眼掘進及支護設計，可將梯形切眼等效為圓形巷道，斷面圖如圖2所示。

為分析傾斜切眼在開挖過程中的圍巖變形問題，考慮非均勻地應力對傾斜切眼圍巖的影響，傾斜切眼受力模型在如圖3（a）所示。考慮孔隙水壓對傾斜切眼圍巖的影響，將孔隙水壓力看作均勻應力，傾斜切眼受力模型如圖3（b）所示。在垂直地應力、水平構造應力及孔隙水共同作用下，對傾斜切眼圍巖荷載進行疊加分析，如圖3（c）所示。通過對傾斜切眼圍巖單元應力分析得到傾斜切眼圍巖徑向應力，因此可將傾斜切眼力學模型轉換為水平巷道力學模型，如圖3（d）所示。由此得到傾斜切眼徑向荷載為

Pr=P0cosθ+λP0sinθ+Pw

（1）

式中 Pr為圍巖徑向應力，MPa。

在巷道開挖過程中，巖體受擾動影響，造成應力和強度變化，使圍巖發生變形甚至破壞，巖體物理性質發生改變。靠近硐壁的圍巖會進入破裂狀態，形成一個破裂區；在破裂區外的巖體應力進入塑性狀態，產生一定塑性范圍；再往外的巖體接近巖體強度，圍巖處于彈性狀態。傾斜切眼圍巖荷載分布如圖4所示。

3 緩傾斜切眼圍巖彈塑性變形分析

3.1 緩傾斜切眼掘進擾動特征分析工程中開挖擾動會對巖體黏聚力與內摩擦角造成影響，在一定范圍內影響巖體的力學性質，從而影響巖體工程的穩定。因此，在工程設計時應考慮擾動狀態下的有效黏聚力與有效內摩擦角。劉德峰基于H-B準則和M-C準則，推導出非線性巖體強度參數黏聚力、內摩擦角與工程擾動與巖體地質強度指標之間的關系表達式為［25］

4.3 切眼圍巖變形支護方案及其參數

4.3.1 頂板及兩幫錨桿參數確定1）錨桿長度的確定。由（40）可知，巷道破裂區半徑Rb=6.87 m，故破裂區范圍為

4.4 支護效果分析為分析現場切眼圍巖支護效果，在掘進區段共布置4組測點，每組測點布置在掘進區段中部，采用十字交叉法對巷道兩幫、頂底板的位移變形量進行監測，斷面測點布置如圖9所示，監測結果如圖10所示，切眼圍巖表面變形量見表3。

從圖10可以看出，切眼在支護后的20 d內，頂底板及兩幫累計位移量增長明顯，20 d后，各測點圍巖變形逐步衰減并趨于穩定。第40 d時，頂底板累計相對變形量為分別為204，185，167，135 mm，兩幫累計相對變形量為分別為165，144，123，97 mm。

從表3可以看出，經過對切眼支護參數設計后，不同掘進區段頂底板、兩幫實際變形量未超過理論變形量。結果表明：在切眼掘進時預留一定的變形量，在此基礎上通過合理設計錨桿（索）支

護參數，為工作面的安全高效回采提供了可靠保障。

5 結 論

1）傾斜巷道開挖后，圍巖的變形破壞與開挖擾動程度、地應力及孔隙水壓力密切相關，具體表現為：隨著垂直地應力和孔隙水壓的增大，圍巖表面徑向位移越大。

2）傾斜巷道圍巖在開挖擾動、地應力及孔隙水壓力作用下將產生一定的徑向位移。由于不同斷面位置的圍巖所受地應力和孔隙水壓存在差異性，不同掘進區段圍巖變形量并不相同，開挖過程中應設計不同的開挖預留量及其支護參數。

3）基于上述理論分析，將馬蹄溝煤礦3506工作面緩傾切眼分為4個掘進區段，確定了切眼第一區段至第四區段掘進預留變形量分別為300，260，220及200 mm，并設計了各區段的圍巖支護參數。現場實測表明：切眼頂底板和兩幫最大移近量分別為204，165 mm，均未超過設計預留變形量，圍巖變形控制效果良好，滿足現場生產要求。

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（責任編輯：劉潔）