掘進工作面圍巖應力分布特征及其與支護的關(guān)系

＊史 博

（山西懷仁聯(lián)順璽達柴溝煤業(yè)有限公司 山西 038300）

在煤礦開采過程中工作面掘進是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，高效安全的巷道掘進與支護技術(shù)是實現(xiàn)煤礦順利開采的必要前提。但是現(xiàn)如今隨著開采深度和強度的不斷加大，我國的煤礦開采已經(jīng)呈現(xiàn)出了如下發(fā)展趨勢：綜采放頂煤開采技術(shù)的廣泛應用，促使煤層頂板巷道在全煤巷道中所占的比重越來越大；為了提高掘進效率，廣泛采用矩形類斷面巷道代替拱形類斷面巷道；隨著掘進設(shè)備與通風設(shè)備的體積不斷增大，巷道斷面持續(xù)增大、埋深逐年增加；這些因素都導致巷道開采面臨著更加復雜的地質(zhì)環(huán)境，也對巷道圍巖的穩(wěn)定性帶來了十分不利的影響，進一步提高了巷道圍巖支護難度。

1.工程概況

該煤礦巷道埋深約為1200m，掘進工作面與水平面的夾角為28°，長度為335m，根據(jù)詳細勘測可知煤層中的瓦斯含量為8.5m3/t，煤層平均厚度為5m。該巷道頂板巖層主要為砂質(zhì)頁巖，破碎系數(shù)較高；底部巖層主要為中粒砂巖。

2.掘進工作面圍巖應力分布特征

(1)掘進工作面圍巖應力分布模擬

技術(shù)人員利用相應的工作軟件對該掘進巷道工作面圍巖應力特征進行仿真模擬，得出在切面上的垂直壓，如圖1所示。

由圖1可知，隨著煤礦巷道挖掘深度的持續(xù)增加，圍巖的應力狀態(tài)也在不斷發(fā)生變化：在工作面前方的圍巖應力正比增加，在工作面后方的圍巖應力反比減小，通俗的說就是在掘進工作面前方一定位置圍巖應力會發(fā)生顯著變化，并且在工作面處應力達到最大值，在工作面后方一定位置后趨于穩(wěn)定。在掘進過程中，挖掘前方兩側(cè)的圍巖應力無明顯變化；掘進工作面后方應力降低區(qū)和應力升高區(qū)的面積在不斷擴大，當與工作面遠離一定距離后，應力變化趨于穩(wěn)定。

圖1 垂直壓應力分布示意圖

(2)掘進工作面圍巖應力的實際監(jiān)測

為了獲得更加詳細的圍巖應力狀態(tài)分布信息，技術(shù)人員決定采用實時監(jiān)測的方法對掘進工作面圍巖應力狀態(tài)進行全面監(jiān)測，得出的監(jiān)測結(jié)果如下圖所示。

從圖2（a）中可以看出，在該巷道工作面附近的圍巖最大應力約為23MPa，應力最大位置與工作面兩壁之間的距離大約為8m，同時隨著掘進工作面的不斷推進，支撐壓力的影響范圍擴大至50m左右。超過支撐壓力最大位置區(qū)域的壓力會逐漸降低，并最終回歸至原始的應力狀態(tài)。從圖2（b）可知，支撐壓力與回風巷道下方的距離成正比，并且在工作面10m附近處達到最大值，然后支撐壓力逐漸減小。

圖2 實際掘進工作面圍巖支撐壓力分布曲線

(3)掘進工作面圍巖變形與破壞特征

在超前工作面6m處圍巖位移會以較大的速度顯著增加，經(jīng)過工作面時增加速度變緩，移動至工作面后方10m位置時趨于穩(wěn)定，如圖3所示。在掘進工作面處的頂板下沉量為總下沉量的40%左右，在工作面后1m處頂板下沉量占總下沉量的50%；掘進工作面周圍剪切破壞區(qū)會隨著工作面的距離變化而發(fā)生變化，在掘進工作面前方2.5m處出現(xiàn)剪切破壞，破壞范圍可達3m；在掘進工作面后方1m處的剪切破壞范圍可達4m，在掘進工作面后方10m處剪切破壞趨于穩(wěn)定。

圖3 掘進工作面前后圍巖位移曲線

3.掘進工作面巷道支護及加固設(shè)計

在巷道挖掘中，如果圍巖性能穩(wěn)定并且完整，存在著較小形變，則無需采用額外的支護技術(shù)，但是這種情況十分少見。支護加固結(jié)構(gòu)主要作用在巷道挖掘表面，對挖掘邊界的位移產(chǎn)生限制作用。錨桿支護是最常用的圍巖支護結(jié)構(gòu)。

(1)掘進工作面附近支護應力場分布

在巷道挖掘中，如果圍巖性能穩(wěn)定并且完整，存在著較小形變，則無需采用額外的支護技術(shù)，但是這種情況十分少見。支護加固結(jié)構(gòu)主要作用在巷道挖掘表面，對挖掘邊界的位移產(chǎn)生限制作用。錨桿支護是最常用的圍巖支護結(jié)構(gòu)。

通過技術(shù)人員的詳細計算，可知錨桿預應力產(chǎn)生的應力場主要呈現(xiàn)以下特征：

①在錨桿尾部附近存在著較大的應力集中現(xiàn)象，而且隨著與頂板距離的持續(xù)加大，壓應力逐漸減??；在錨桿端部存在拉應力區(qū)，但是對應的拉應力值相對較小。

②在掘進工作面的后方區(qū)域，錨桿支護所產(chǎn)生的預應力會在頂板處形成連續(xù)分布并且具有一定厚度的壓應力帶；與工作面距離最近的錨桿所產(chǎn)生的預應力場會擴散至空頂區(qū)，預應力與擴散范圍成正比，并且離錨桿越近的位置壓應力越大，雖然壓應力值相對較小，但是也可有效應對空頂區(qū)圍巖冒落、破碎，并且可有效降低外界環(huán)境對圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

③在高預應力條件下，壓應力值與壓應力區(qū)域成正比，也就是壓應力值越大所覆蓋的壓應力范圍越廣，錨桿的主動加固作用越強。

(2)支護與加固的時空設(shè)計

對于連續(xù)巖體，在掘進初期無需額外設(shè)置剛性支護，也就是允許圍巖巖體存在一定形變與位移，但是要保證在出現(xiàn)危險時達到位移平衡；對于非連續(xù)巖體，圍巖的整體強度與完整性相對較差，圍巖響應曲線趨于平直，也就是說巖體存在著較大的破碎系數(shù)，此時所需要的支護力度也越大。如果存在極限條件，也就是圍巖強度為零，那么需要的支護壓力要與原巖應力一致。

注漿可有效提高巷道的加固效果，并且具有注得進、黏得住等兩個時間與空間優(yōu)勢，在錨桿支護中作用明顯：一是可有效避免煤巖體因滑動、離層、裂隙張開等因素而導致的結(jié)構(gòu)變形，可以最大程度的保證煤巖體的穩(wěn)定性和完整性；二是注漿可妥善改變開挖斷面周圍的采動應力場，不僅可以減小壓應力區(qū)，同時也可有效抑制拉應力區(qū)的產(chǎn)生。

4.結(jié)論

在煤礦巷道挖掘過程中，隨著挖掘的進行會使得附近煤巖體發(fā)生一定位移，并且應力主要分布在開挖邊界，同時會對煤巖體的氣體壓力、水壓力、溫度與濕度產(chǎn)生影響，進而導致煤巖體的力學性質(zhì)發(fā)生變化。巷道軸線與最大水平主應力方向夾角的變化也會顯著影響圍巖應力；在掘進工作面后方一定位置處圍巖應力趨于穩(wěn)定。超前工作面位移通常無法監(jiān)測，技術(shù)人員在設(shè)計支護結(jié)構(gòu)時一定不要忽視這部分位移影響。對于非連續(xù)煤巖體，如果圍巖暴露就需要立即采用相應的支護措施，現(xiàn)如今我國煤礦最常見的支護結(jié)構(gòu)為錨桿支護，同時要對錨桿支護結(jié)構(gòu)給予足夠的預應力，在避免煤巖體變形的同時提高煤巖體的完整性和穩(wěn)定性，最大程度的控制煤巖體出現(xiàn)拉伸和剪切變形。