動壓影響下巷道圍巖破壞變形特征分析及控制

李海波，郭海東

（沁水縣應急管理局，山西 沁水 048200）

煤礦井下開采過程中，巷道受動壓影響造成圍巖破壞變形，給巷道掘進支護及后期維護帶來極大困難。為有效控制動壓影響下巷道圍巖變形，保證工作面安全高效生產，許多學者在該方面進行分析研究并進行應用實踐。馮偉斌［1］等采用數值模擬方法分析20101 膠帶巷在現有支護條件下巷道變形破壞特征，并總結其機理。陳跟馬［2］等采用工程地質調查、理論分析等手段，分析復雜圍巖環境下巷道的變形破壞特征，提出“高強高預應力錨桿（索）+底角錨桿”支護技術控制巷道圍巖穩定性。高磊［3］采用FLAC3D軟件分別對動壓巷道無支護、錨網索支護和二次注漿加固進行數值模擬，指出動壓巷道采用錨網索+ 注漿加固方式能更好的控制圍巖變形破壞。宋錦虎［4］等針對巷道高應力動壓特點提出采用卸壓讓壓以及高強錨索的聯合支護方法，同時采用單體柱進行局部臨時加強支護。本文以常村煤礦13031 回風順槽掘進工作面巷道掘進支護為研究對象，對巷道在動壓影響下圍巖變形特征及巷道支護方式和支護參數進行研究分析，提出合理支護方案，對控制巷道圍巖變形具有重要指導意義。

1 工程概況

常村煤礦13031 工作面主采二1 煤層，煤層直接頂為中粒砂巖，厚度13.0～18.3 m，平均15.8 m，裂隙發育，裂面發育鈣質薄膜。煤層底板為砂質泥巖，厚度2.74～8.48 m，平均5.5 m，裂隙發育，13031 回風順槽掘進工作面煤巖層柱狀見圖1。13031 工作面回風順槽設計寬度為5 200 mm，巷道高度3 000 mm，巷道頂底板煤巖層物理特征參數見表1。

圖1 13031 工作面煤巖層柱狀圖

表1 13031 工作面煤巖層物理特征參數

2 數值模擬分析

為對在動壓影響下巷道圍巖塑性變形變化過程進行研究分析，結合13031 回風順槽煤巖層地質條件，運用摩爾- 庫倫模型，建立數值模擬計算模型。該模型規格為長×寬×高=260 m×140 m×120 m，其四個側面在水平方向上設為固定，其底端設定為固定邊界條件，上部設定為應力邊界條件［5-7］，應力值為6.5 MPa，側方壓力變化系數設為1.4；將該模型劃分成64 120 個單元，共66 226個節點。在巷道掘進施工期間，巷道圍巖受動壓影響產生塑性變形變化過程見圖2。

圖2 動壓影響下巷道圍巖塑性變形過程

巷道在掘進施工期間發生塑性擴展變化由圖3 中可以看出：①巷道在掘進施工期間，其主要是受剪切力產生的破壞變形，隨著巷道的不斷向前掘進施工，其圍巖形成的塑性破壞力將會逐步向圍巖深部延伸；②因巷道在掘進形成后其圍巖應力產生釋放，從而造成圍巖塑性變形主要出現在掘進工作面后方15 m 處和前方30 m 處；③掘進施工期間，巷道圍巖發生的塑性破壞單元呈現的特點主要為底板＜右幫＜左幫＜頂板。由上述分析可知，控制巷道圍巖破壞變形的關鍵是加強頂板支護。

圖3 巷道掘進施工期間圍巖塑性變形破壞擴展變化曲線

3 巷道支護方案確定

結合13031 工作面回風順槽煤巖層地質條件、動壓影響情況及服務年限等方面的影響因素，綜合考慮巷道支護安全可靠性，確定巷道的支護方案為：巷道采用錨網索+ 噴漿支護方案，巷道頂部和幫部均采用規格為Ф22 mm×2 400 mm 高強度螺紋鋼錨桿，頂部錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排布置6 根錨桿，幫部錨桿間排距為1 050 mm×1 000 mm，每排布置3 根錨桿。巷道頂部錨索呈“2-2”布置，間排距2 000 mm×2 000 mm，每排布置2 根錨索，錨索采用Ф17.8 mm×6 200 mm 鋼絞線。巷道錨網索支護方式見圖4。

圖4 巷道支護

為減少風化侵蝕對巷道支護體的破壞作用，提高支護效果，在巷道掘進支護期間，在其支護體表層進行噴射混泥土覆蓋。混泥土使用的水泥為普通硅酸鹽水泥，石子采用粒徑5～10 mm 的米石，但石粉雜質含量不得大于其重量的5%；砂子采用石英砂，顆粒直徑為0.25～0.5 mm，且泥土質含量不得大于3%；噴漿用水為不含雜質的中性水，速凝劑使用量控制在水泥用量的3%～5%；噴射混凝土強度不低于C20；混凝土配比方式為：水泥（質量）∶砂子（體積）∶米石（體積）=1∶2∶2（T∶m3∶m3），噴厚50～200 mm。

4 應用效果分析

為檢驗支護方案的支護效果，采用“十”字觀測法在巷道試驗應用段設置2 個觀測站，對巷道頂底板和幫部位移變化情況進行觀測，兩個測站間隔50 m。通過觀測的數據收集整理后繪制曲線見圖5。

圖5 13031 回風順槽試驗段巷道圍巖變化監測曲線

由圖5 分析可知：測站1 和測站2 處巷道頂底板和兩幫移近變形變化趨勢大致一樣。以測站1觀測的數據為例進行分析，在13031 工作面回風順槽掘進施工初期階段，由于巷道在開挖后形成的空間使圍巖應力得到了極大釋放，使巷道圍巖破壞變形速率大幅提升。在巷道開挖后10 d內，巷道頂底板移近量變化速率達到了14.8 mm/d，兩幫位移量變化速率達到了16.5 mm/d；在巷道開挖25 d后，頂底板和巷幫移近量逐漸變緩基本達到穩定狀態，其中頂底板位移量基本穩定在350 mm左右，兩幫位移量基本穩定在310 mm 左右，巷道圍巖破壞變形基本得到有效控制，表明該支護方案達到巷道支護效果要求。

5 結語

通過運用摩爾- 庫倫模型建立數值模擬計算模型對在動壓影響下巷道圍巖塑性變形變化過程進行研究分析，造成巷道圍巖塑性變形破壞現象集中發生在掘進巷道測點后方15 m 處和前方30 m處，且發生的塑性破壞單元巷道頂板最多。巷道掘進支護方式采用的“高強度錨網索+ 噴漿”的支護方式，通過現場數據監測，巷道頂底板和兩幫變形量基本穩定在350 mm 和310 mm 左右；監測結果表明，該支護方案能夠有效控制巷道在動壓影響情況下的圍巖變形量，滿足工作面生產和支護安全的要求，可為今后類似條件下的巷道支護和圍巖控制提供借鑒。