深埋大断面半煤回采巷道围岩控制技术研究

赵俊生

(西山煤电 (集团)有限责任公司安监局，山西省太原市，030053)

对于深埋条件下的矿井，巷道围岩长期处于高应力状态改变了围岩特性，使得原来顶板为硬岩特性的岩石表现出了明显的软岩特征。同时，为了满足综采工作面的正常接替以及通风、安全生产等要求，通常会在高应力条件下布置大断面半煤回采巷道，对于这类特殊的巷道，一方面受高应力大断面的影响，围岩变形量大、整体稳定性差、难于支护；另一方面半煤回采巷道存在明显的分层性特点，其煤层所处巷道断面位置的不同直接导致了巷道周围应力及位移情况的改变。所以，针对此类特殊巷道围岩的控制技术研究具有特殊的意义。

本文结合阳煤集团五矿＋211m水平回采工作面的实际情况，分析了现场回采工作面巷道的破坏失稳现象，提出巷道断面顶角微拱形以及施加底角锚索综合治理的围岩控制方案，采用FlAC3D数值模拟技术对比分析新旧支护方案，并通过现场实测验证其合理性。

1 工程概况

阳煤五矿赵家分区回采工作面位于井下＋211m水平，其地面标高为＋1040m，埋深在830m左右。回采巷道沿15＃煤层破底掘进，在掘进过程中揭露的主要煤岩层有煤、砂质泥岩、泥岩、细颗砂岩等。15＃煤层平均厚度为6.2m，赋存情况呈单斜构造，总体形态呈西北高东南低，煤层倾角2°～11°。回采巷道断面尺寸为5.0m×3.5m (宽×高)，对原支护方案条件下巷道围岩稳定性监测表明:巷道顶板发生离层破坏，存在片帮及整体下沉现象，顶底板移近量350mm，两帮移近量200mm，底板上产生较大的底臌量，整体巷道收敛变形比较严重。

2 巷道变形破坏原因分析

(1)巷道顶板岩性的变化。半煤岩巷属穿层巷道，其顶板岩层往往具有差异性，差异性的存在导致岩层之间粘结力小、结构面发育，不易形成承载结构。特别是在深埋条件下，高应力作用使得一些硬岩特性的岩石转化为软岩特性，岩石强度降低。

(2)巷道断面形状的影响。回采巷道属于准备巷道，服务年限在3a左右，在巷道掘进过程中支护强度要求相对较低。原支护方案中，巷道采用了面积为17.5m2的矩形断面，相对于其它断面，矩形巷道的顶角处应力集中现象更为明显，同时较大的断面面积也加剧了应力集中现象，这将直接导致顶板在顶角处发生破坏，不能充分发挥顶板的自然成拱作用，顶板较难维护。

(3)支护方式与地质条件不适应。对现有地质资料分析表明，巷道掘进需穿越褶皱带，较大的构造应力使得单纯的锚杆支护不能满足安全生产的要求，通常情况下需要补打锚索，现场由于锚索支护时间不及时造成围岩松动圈进一步扩大。对顶板不同深度进行钻孔窥视，发现距顶板上方5.4m处存在局部破碎现象，原设计方案中锚索的锚固着力点均位于此破碎区，而不是打入稳定的岩层，锚杆与锚索起不到悬吊作用。另外，巷道开挖后，原方案未对底板支护，使底板成为巷道中最薄弱的地方，垂直地应力通过两帮的传递产生较大的水平应力沿底板释放，造成底臌现象。

3 支护方案数值模拟分析

运用FLAC3D数值模拟技术分别对原支护方案(矩形断面＋锚杆锚索)与新支护方案 (矩形断面顶角微拱形＋锚杆锚索＋底角锚索)支护下的围岩塑性区范围、位移矢量分布形态、垂直应力、水平应力分布以及锚杆受力情况分析从而优化支护方案。

3.1 支护方案的提出

回采巷道开挖后形成围岩松动圈。围岩松动圈的范围越大，支护越困难。锚杆锚索支护系统可增加围岩承载能力。其中锚杆在形成大刚度组合梁承载结构及控制裂隙方面起到重要作用，锚索则将锚杆形成的浅部承载体系与深部更为稳定岩层相连形成范围更广的承载体，增强围岩强度，利于巷道围岩的稳定。因此，以挤压加固和悬吊组合机理为基础，根据《采矿工程设计手册》围岩松动圈分类及锚喷支护进行支护参数的选取。通过对现场回采巷道破坏原因的分析，在深埋大断面软弱顶板的条件下，对于这类半煤岩巷提出了新方案，一方面在矩形断面的基础上将两顶角处改为微拱形，另一方面调整锚杆锚索长度使锚固点打入稳定岩层，同时考虑底板支护在底角处施加底角锚索。原支护方案支护参数见图1。

图1 矩形断面支护方案 (方案Ⅰ)

图2 顶角微拱形支护方案图 (方案Ⅱ)

原支护方案顶锚杆间排距800mm×900mm，帮锚杆间排距1000mm×900mm，锚杆均采用∅22mm×2200mm的普通螺纹钢树脂锚杆，顶锚索规格为∅17.8mm×5200mm，间排距为2000 mm×1800mm。新支护方案参数见图2，其中锚杆规格调整为∅22mm×2400mm，顶锚索的规格调整为∅17.8mm×6000mm，没有改变间排距；底角锚索与水平夹角呈45°，其规格为∅17.8mm×6000mm；两个微拱形半径均为500mm，并在每个微拱形中央施加锚杆。

3.2 模型建立

所建模型为55m×40.5m×2.7m (长×高×宽)，模型共有6750个单元。围岩模拟采用库伦-摩尔本构模型，约束模型的左右边界及底边界，模型上边界为施加20MPa垂直荷载的自由面，阳煤五矿赵家分区回采工作面半煤回采巷道围岩力学参数见表1。

表1 模型内各岩层赋存特征及力学参数

3.3 数值模拟结果分析

运用FLAC3D数值模拟技术分别对两个方案进行模拟并分析模拟结果。方案Ⅰ为原支护方案(矩形断面＋锚杆锚索)；方案Ⅱ为新支护方案 (矩形断面顶角微拱形＋锚杆锚索＋底角锚索)。

3.3.1 塑性区范围

在方案Ⅰ支护条件下，巷道围岩塑性破坏区主要为剪切破坏，局部为拉伸破坏，特别是沿着巷道两个顶角塑性区范围进一步扩大，甚至延伸至老顶区域，巷道两帮存在拉伸破坏，可见原支护条件下巷道变形破坏范围大，两帮破坏，影响正常生产。相比方案Ⅰ，方案Ⅱ将塑性破坏区控制在直接顶的范围内，围岩受力情况有明显的好转。

3.3.2 位移矢量模拟结果

(1)方案Ⅰ巷道顶角处的位移量大于方案Ⅱ顶角处的位移量，说明方案Ⅰ在顶角处更容易发生应力集中现象。

(2)方案Ⅱ中，巷道顶角改为微拱形后，巷道围岩岩体位移减小，巷道基本维持原有形状，变形不严重。

3.3.3 围岩垂直应力与水平应力模拟结果

(1)方案Ⅰ与方案Ⅱ垂直应力分布的应力值基本不变，在巷道的4个角处均有不同程度的应力集中现象，距巷道两帮4m处应力集中系数最大，最大垂直应力值为26MPa；距离巷道两帮8m处，垂直应力恢复至原岩应力。

(2)方案Ⅰ在巷道的顶板和底板存在一定范围的拉应力区，说明顶板与底板发生破坏；而方案Ⅱ中底板受到的拉应力减小，顶板也不存在拉应力区。

(3)巷道开挖后发生应力重新分布，就应力集中程度而言，方案Ⅰ的应力集中系数大约为方案Ⅱ应力集中系数的1.5倍；从围岩水平应力分布情况分析，方案Ⅰ采用的矩形巷道断面应力分布更为集中，不利于巷道维护，而方案Ⅱ采用的顶角微拱形应力分布较为均匀。

3.3.4 锚杆受力情况

数值模拟结果表明，方案Ⅱ将矩形断面两个顶角处改为微拱形、调整顶板锚索长度并施加底角锚索后，使得锚杆锚索与围岩形成更为稳定的承载系统，受力更好，承载能力较强；就锚杆锚索受力而言，方案Ⅰ与方案Ⅱ锚杆均受拉应力且受力均匀，而方案Ⅰ相比方案Ⅱ还存在较大范围的锚杆受压现象，这也是应力集中系数相对大的缘故；同时，方案Ⅱ中巷道顶底移近量也相对较小，围岩稳定。

通过对两种方案数值模拟结果分析可知，方案Ⅱ采用的矩形断面顶角微拱形＋锚杆锚索＋底角锚索的联合支护系统使得巷道顶角处应力程度降低、围岩应力分布均匀、底臌量较小、围岩强度明显改善，巷道更易维护。

3.4 围岩控制优化措施

深埋大断面软弱顶板的半煤岩巷不仅受到高应力影响，还受到断面大小、形状以及岩层分层的影响。这些综合因素直接导致了巷道围岩矿压显现强烈、变形量大、持续时间长，进而造成巷道周围岩体破碎范围的进一步扩大，使得单纯的锚杆支护失效，不能充分发挥锚固作用。针对巷道围岩破坏特点，需考虑支护系统的整体性及强度的提高，其中喷浆技术的应用，一方面可以较好地防治围岩揭露后的进一步风化；另一方面可以充填表层裂隙，使表层破碎岩体在一定程度上胶合在一起，利于锚固体承载结构的形成。

为了满足上述条件下巷道围岩的控制，确保巷道服务年限内的安全使用，提出如下支护体系:

(1)巷道表面实施喷浆防风化措施。

(2)对于巷道围岩破碎严重的情况，适时采用高预应力锚杆及时锚固，阻止围岩松动圈的进一步扩大。

(3)采用锚索加强支护技术，将内层锚固结构悬吊到更为稳定的深部围岩结构上，实现更大范围的围岩加固。

(4)为了满足矿井的正常生产需求，除了结合上述3个步骤外，需要合理布置监测站点，进行动态监测，加强监测数据的实时反馈，进而及时调整锚杆间排距、锚固长度等支护参数，以适应巷道围岩的变化。

4 现场实施及监测

在阳煤五矿赵家分区回采巷道实施了表面喷浆防止风化及矩形断面顶角微拱形＋锚杆锚索＋底角锚索联合支护体系，为了验证其支护效果，布置连续矿压观测站，得到如图3所示巷道表面变形曲线。从图3中可以看出，巷道掘进后在10d左右围岩变形速度最快属于掘进影响强烈期，随后逐渐趋于缓和；采用新支护方案后，顶底板移近量150 mm，两帮移近量78mm，底臌量稍大于顶板下沉量，在大约90d时，巷道表面不再随着时间的推移而继续变形。可见，巷道围岩整体性和稳定性较好，顶底板和两帮的移近量得到明显地控制，新支护方案支护效果及参数较为合理。

图3 巷道表面变形曲线

5 结论

(1)本文从顶板岩层性质、断面形状及大小、支护方案与围岩地质适应性三方面入手，分析深埋大断面软弱顶板条件下半煤回采巷道支护的失效原因。认为对于服务年限3a左右的回采巷道，可以通过改变断面形状、调整支护形式及参数等方式充分发挥岩石自稳能力，使巷道在规定的服务年限内达到安全生产的要求。

(2)FLAC3D数值模拟结果表明:在巷道断面方面，无论是围岩应力分布还是位移量分布，矩形巷道顶角改为微拱形后，顶角应力集中系数明显降低，整体受力状态良好；底臌控制方面，新方案施加了底角锚索，在一定程度上降低了底臌量，满足了巷道断面设计要求；就支护参数而言，调整锚杆锚索长度后，形成更为稳定的锚固体结构，围岩受力状态更好，保证了回采巷道安全掘进。

(3)工业性试验表明，结合前期喷浆并实施新支护方案的综合围岩控制体系，能够有效控制围岩变形，为高效安全生产创造条件。

(4)对于处于高应力软弱顶板条件下大断面的半煤岩巷，采用矩形断面顶角微拱形＋锚杆锚索＋底角锚索联合支护方式，巷道支护效果理想，可为今后类似巷道的支护提供借鉴。

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