巷道破碎圍巖地質力學測試分析及支護設計研究

張書晨

（山西煤炭運銷集團首陽煤業有限公司，山西 高平 048400）

0 引言

由于礦井開發程度的提高，圍巖的變形特性日趨復雜，地應力和構造應力增大，圍巖的軟弱、破裂造成了支護難度增大，因而對其進行分析和研究，支護是礦井圍巖控制的關鍵。本文以山西煤炭運銷集團首陽煤業3 號煤層圍巖的特點為依據，對其進行了圍巖的地質力學試驗，并對其圍巖的應力、變形、破壞特點進行了研究，并與當前圍巖巷道的治理現狀相結合，最后給出了相應的支撐措施。

1 工程概況

山西煤炭運銷集團首陽煤業3 號煤層9 個開采區域，其中3 號—9 號煤田位于七采區北翼，是一種傾角2°～10°、煤層深度220～300 m 的單斜型結構；采場的縱向長度分別為148.79 m 和1 315 m；在3-邊角區09 工作面由于受到保護煤層的作用，可以達到793.24 m 推進距離。該礦區的水文地質狀況一般，最大涌水量為180 m3/h，能保證礦井的正常生產[1]。

2 巷道圍巖力學特征

為了解礦井圍巖的物理結構特性，為巷道設計和使用提供科學依據，本文介紹了在礦井內設置兩個測點、利用電子鉆探、小孔徑水壓致裂地應力測定儀和WQCZ-56 圍巖強度試驗設備，對礦井圍巖的基本構造、圍巖裂縫發育、地應力大小和方向、圍巖強度進行了檢測。在圖1 中顯示了測站的位置，其中一號測站設在7072 巷內，測站處巷道段為長方形，采用錨網支護；在測站處，鉆孔位置與井底面的高度為3 m，而測站處的深度為575.5 m。二號測點位設在7071 巷內，采用錨網進行支護，井口為矩形，鉆孔位置與井底面的高度為3 m，測點處的深度為567.2 m。兩個測站都是全煤巷，由于地質條件和開采條件的限制，所以很適宜進行原巖應力的測定。

圖1 圍巖地質力學測試測站位置示意

2.1 頂板巖層分布及結構觀測

1）一號測站的井眼觀察結果。根據觀察結果，在頂板上方0～3.3 m 處的位置為煤層聚集區，煤體顏色發亮，在靠近洞口部的煤體比較破碎，在深部煤層中有較多的裂縫；3.3～11.7 m 的地層以砂質泥巖為主，密度高、結構完整度高，在11.5 m 處出現了兩條明顯的橫向裂縫；11.7～11.9 m 的地層以夾層煤為主；11.9～12.7 m 的地層以中砂巖為主，此區內裂縫較為豐富；12.7～19.0 m 為致密的中砂巖；兩個縱裂分布在13.2～14.0 m；19.0～21.0 m 為巖性巖體，巖體縱橫交錯，夾有泥巖，這一區段的巖體結構較為完整。通過現場觀察，發現在頂板上方13.5～14.7 m 的地層是比較致密和完整的中砂巖，這一區段適宜于進行地應力試驗[2]。

2）二號測站鉆孔結構觀測。通過對鉆孔的觀察，發現在0～3.0 m 的煤層中，煤體呈黑色，且有明顯的裂隙，而在深部煤層中孔壁相對完好；3.0～14.9 m 為砂質粘土巖，7.1～7.5 m 為裂縫，9.8～10.2 m 之間有3個較大的裂縫，其中11.0～14.1 m 有較多的泥巖夾帶，地層的完整性較高；14.9～15.1 m 是一種黑色、有光澤的夾層煤；裂縫分布在15.1～15.5 m；中砂巖為15.5～22.2 m，巖層為灰白色，砂質粘合致密，整體性良好，裂縫僅在17.9 m 和20.5 m 處出現。通過現場測試，發現在頂面17.5～18.6 m 的地層結構比較完好，適宜進行地應力試驗。

2.2 地應力測試及計算

采用SYY-56 型液壓致裂地應力測量儀對各測點的壓力分布進行了測試，并采用SYY-56 型液壓致裂地應力測量儀對各測點的壓力分布進行了分析，并由軟件進行分析，得出了相應的破裂壓力、重張壓和瞬間閉合壓力。地應力由以下公式來表示：

式中：Pr為測得的重張壓力數值，MPa；Ps為測得的封閉壓力數值，MPa；γw為水的容重，MN/m3；h 為從測點到測量器的縱向間距，m；γr為上覆巖層容重巖石，MN/m3；H 為埋深，m；σmin為主應力在水平方向上的最小值，MPa；σmax為主應力在水平方向上的最大值，MPa；σv為垂直主應力，MPa。

通過對礦井二號測點的分析，計算得到二號測點的最大橫向主應力為204.45 MPa 和180.18 MPa，最小水平主應力10.39 MPa、1.44 MPa，垂直應力為135.75 MPa、13.9 MPa。資料表明，該區屬于中高原應力值范圍：應力場為σmax＞σv＞σmin型應力場，其應力場主要受構造作用和橫向應力場的影響。實測站點的最大橫向主應力為N3.9°E 和N29.9°E，并判斷出最大橫向主應力向為NE。在進行巷道支撐時，必須充分重視應力大小、應力場的種類以及最大橫向應力與煤體軸線的角度等方面的影響[3]。

2.3 圍巖強度測試

在現場進行了地應力試驗后，采用WQCZ-56 型圍巖現場強度測定儀對現場的采空區進行了現場試驗，其試驗成果見圖2。

圖2 圍巖強度測試圖

由表2 可以看出，3 號煤體的完整性較好，其平均強度在10.29 MPa 左右；一號測點的頂板平均強度在11.61 MPa 左右，而在二號測點則在12.25 MPa 左右；一號個測點的井眼為3.3～10.0 m，地層全部為砂質巖，巖層的探頭接觸強度比其他地層都要高，平均巖石平均強度為56.32 MPa。二號測點為3.0～10.0 m，其平均強度為29.21 MPa。

3 沿空留巷圍巖控制

3.1 巷道圍巖礦壓顯現特征支護設計原理

通過對表明巷道巷道圍巖的試驗，發現其頂板巖層是一種典型的疊合式構造，其幫部的煤體斷裂，其抗壓能力比上、下兩種巖層均較差；同時，兩個幫和頂、底板之間存在著較大的分層，其頂板呈現出較大的撓性。破碎后的煤幫容易出現片幫、垮幫現象，由于頂板巖體對兩幫的夾角進行了壓縮，使其粉碎程度加重，從而使礦壓更加明顯；因此，兩個幫頂板的支承作用將會被破壞，使頂板巖的彎折和變形更加嚴重，形成一個惡性循環。

本課題的研究對象是該煤礦一七采區3-邊角092 回風巷，一旦出現頂板巖層裸露的現象，必須及時進行支護，以保證其初始剛性，為了防止巖石的流變和風化，使其處于彈性變形區間，兩幫支護既要達到頂板的控制要求，又要能使其具有彈性支承。

3.2 巷道支護設計方案

利用FLAC3D 有限元仿真分析了回風巷的支護技術，并針對其圍巖的變形特點，提出了3 種不同的支撐措施（見表1）。

表1 數值模擬方案

從圖3 可以看出，在掘進后，在巷道兩側形成了一個較大的支撐壓力區域，3 個方案的應力集中系數大約為1.5 左右，從而在頂板上形成了一個應力減小區域。當支撐強度增大時，支撐峰值向巷幫方向移動，而頂板中的減應力區域減小，表明兩個幫支護對兩幫圍巖的加固作用顯著增強，將兩個組的圍巖保持在一個穩固的位置。結果表明：三種不同的支護方式，其頂板沉降和兩幫位移都小于10 mm，而不加支護的情況下，最大沉降為18.8 mm，左右幫位移為26.9 mm，兩幫位移54 mm。表明采用錨索支護法對巖體進行了強化，在某種意義上減小了巖體的位移。第2、第3 種方法的效果優于第1 種方法，但是第3 種方法的結果與第2 種方法的結果相差不大，這表明強度的增加并不能滿足隧道的支護要求，從整體的經濟角度考慮，第2 種方法是最好的。

圖3 不同支護方案數值模擬結果對比圖

3.3 巷道支護方案確定

1）選用錨固+金屬線+鋼梁+錨索組合支撐，頂部板為D22 mm 高強度左旋線鋼筋，長2 400 mm；采用了一種新型的樹脂加固錨桿，其長度為1.3 m；上錨索和錨固力分別為350 N·m 和160 kN；鋼管混凝土支架是由D14 mm 直徑的圓形鋼制成，其寬80 mm，長5 100 mm；支架由高強度的弧形支架制成，尺寸150 mm×150 mm×10 mm；采用鉆石型鐵絲網，網眼尺寸為50mm×50mm，網片尺寸為4600mm×900 mm，間距為800 mm×800 mm，每行7 個錨栓，頂角與垂線成20°角，其他與頂板垂直。錨桿使用D22 mm 的低松弛預應力鋼絲繩，全長9 000 mm，并使用了樹脂加固的錨桿。纜繩的預應力為150 kN，錨固力為250 kN；纜繩之間的間距是2 400 mm×1 600 mm，而纜繩支架是250 mm×250 mm×20 mm 的鋼板。

2）巷道支護。錨桿為D22 mm 高強度左旋螺釘，長度2 400 mm，用樹脂端固定，錨定長度1.3 m；桿件預緊力為300 N，錨定力為100 N；該鋼管由D16 mm鋼筋焊接而成，其寬度為90 mm，長度為2 200 mm。支架為高強度的拱形托板，尺寸為150 mm×150 mm×10 mm。采用鉆石型金屬網，網眼尺寸為50 mm×50 mm，網片尺寸為2 400 mm×900 mm；錨桿間距為850mm×800 mm，每列4 個錨栓。圖4 顯示了巷道的支護情況。

圖4 巷道支護圖（單位：mm）

經現場監測后，對兩幫移近量、頂板離層量等情況進行了監測，結果表明：在60 d 內，頂板最大沉降量為23 m，兩幫位移最大為54 m，表明巷道的變形量很少，且得到了很好的加固效果，變形變化趨勢如圖5 所示。

圖5 圍巖變形量圖

4 結論

1）從地應力、巷道圍巖的強度試驗和巖體構造等方面來看，巷道圍巖具有很高的硬度和良好的穩定性；試驗地區為一個中等強度的應力區，該地區的應力場受到了結構的嚴重的干擾。由裂縫和破碎體構成的煤幫頂板發生了撓曲變形，容易出現片幫、垮幫等問題。

2）根據圍巖的受力特點，提出了3 種不同的支護方法，結果表明：第2 種支護方法能有效地抑制圍巖變形，減小圍巖變形，在實際工程中取得了較好的效果。