巷道围岩失稳机理分析

卢萍

摘要：文中提出了巷道失稳宽度B_的确定方法，以SA煤矿3107回风巷作为算例，得出结论是在煤柱宽度是20m时，巷道处于应力集中区内，围岩变形量大难以维护，产生明显的失稳现象，此后需预防冒顶事故的发生并采取合理的加强支护措施。

关键词：巷道围岩失稳；巷道失稳宽度

0 前言

开挖煤矿的巷道期间，良好的控制围岩对矿井的安全十分必要，若控制不当，不但破坏原有的平衡，也会打破围岩的稳定性。近年来，巷道变形严重的原因是受到开采深度的影响，使得低压力增大，进而使原有的巷道出现了形变，挤压底鼓及片帮，支护能力下降，巷道的稳定系数降低。而对煤矿的巷道进行挖掘或者回采的时候，也会影响巷道围岩的应力，使得巷道顶底板以及两边的岩体开始形变，且逐步移动到巷道的内部空间内，长此以往，围岩的稳定性会在形变的影响下外部形态出现变化，所以做好巷道围岩失稳类型和失稳机理分析显得十分必要，本文主要概述围岩失稳类型和分析失稳机理。

1 基于巷道失稳宽度的围岩失稳分析

当围岩发生变形时从力学变形角度看，通常会出现从最初的稳定的弹性时期，之后通过过渡期的塑性发展到受到破坏的失稳状态，如图1所示。

Bmax代表的是巷道失稳宽度，通常是用来代表巷道围岩稳定性的目标，当巷道围岩比Bmax小时，这时巷道围岩处于一种稳定状况中，反之比Bmax大时巷道就会出现失稳现象。围岩的两个变形阶段弹性和塑性时期是在巷道宽度Bmax到达顶级数值时产生的，采用科学的支护方法使围岩巷道保持弹性及稳定数值范围内；在塑性期内的围岩由于岩石发生扩展，围岩的应用力度降低，引起围岩变形。从其它方面来说，应力状况的标准可以通过巷道失稳宽度Bmax表示。巷道的平衡状态被破坏是因为巷道在开挖过程中其宽度比巷道失稳宽度Bmax大，造成围岩的稳定构造受到破坏，引起支护与围岩的支撑作用无法发挥，进而使围岩承力构造处于失衡状态，同时在每个不同阶段发生过程中巷道围岩构造的受力和分布状况都不相同，围岩的应力分布状态也不同，当巷道宽度比Bmax大时，其上述现象更为显著。

2 工程概况

SA煤矿中煤层厚度达到2.8m，其深度450m，顶层为砂质泥岩层，下面为泥岩，3106与3107相连在一起，3107工作面回风巷是文中此次研究的试验项目，当中有三条采巷道工作于3107工作面，煤柱宽度是20m；其中有四条回采巷道在3106工作面中，煤柱宽度是20m。

由于受到覆岩层振动压力作用以及巷道围岩顶层和底处是砂质泥岩为软弱围岩，强度和应对变形力的作用较差；其次由于受力状态和围岩巷道支护没有进行科学设计，造成支护力度不能满足实际工作现场的需求，而降低了围岩支护的强度；然后由于没有利用科学的方法设计巷道煤柱的宽度，使巷道在工作过程中受到剧烈的工作强度而使回风巷发生变形，降低工作效率，进而使矿井的经济效益受到很大的损害。

3 巷道围岩应力状态分析

工作面回采期间，需要注意巷道围岩的应力和巷道围岩的形变情况，这与煤柱的宽带有着直接联系。所以说煤柱是控制巷道的一项重要技术手段，进行合理煤柱宽度预留能更好地优化动压巷道围岩应力分布的同时，使得围岩的内部缝隙发育度降低，进而围岩能更加完整，使其承载力更佳。合理煤柱宽度选择十分必要，煤柱宽度的影响因素分别是围岩的强度、上覆岩层活动、煤柱的应力。3106的工作面瓦斯尾巷煤柱的高度为20m，在工作面进行回采的时候，会受到上覆围岩的动力压强作用影响，使得巷道圍岩出现巨大的形变，特别是底鼓，使得围岩的裂隙开始高度的发育，其稳定性大大减弱。结合现有的数值，进行模拟分析能了解到，巷道所处的位置正是在侧向应力曲线和应力升高区的影响范围内。接下来对煤柱的宽度进行分析，以探寻围岩变形的特征。本文使用的数据模拟技术，主要是对不同的煤柱高度下的动力压强巷道围岩状态进行分析与了解，并比较分析巷道变形情况以塑性区分布。采用双巷开挖方法在3106工作面中进行开挖，31061作面中的回风巷和瓦斯尾巷由于压力作用下而发生变形现象，这时一些宽度比10m小的煤柱在保护回巷中无法满足保护巷道的标准规定，所以本文在进行数值模拟计算过程中选择了宽较大与宽度大的煤柱，宽度分别是（10m、12m、14m、16m、18m、20m）、（22m、24m、26m、28m、30m、32m）对巷道煤柱出现下降现象以及应力分布特点、围岩分布特点、以及变形特点进行了模拟，并针对巷道围岩受力状况和受力分布下当煤柱宽度低于20m以下时的煤柱变化规律。

4 数值模型建立

3106工作面的数值模拟计算模型是依据作业现象资料以及参考相关数据文献的基础上建立起来的。在此模型中设置巷道宽度是4.2m，计算模型的大小为130m×4m×60m（长×宽×高），分别由31720单元和40610节点构成。设置此次模型中的边界条件是：四周无法实现水平移动，巷底无法实现垂直向上移动，模型上部边界设置为可进行均匀受力。计算应力值时，依据埋深390m，容重25 kN/m3进行计算，外加的应力数值是9.75MPa，覆岩层自身重量通过采用上述方法进行模拟，计算所得的侧向系数是1.2。3106工作面中回风巷尺寸是通过宽度x高度，其中宽度是4.8m，高度是3.0m；3106工作面瓦斯尾巷尺寸是：宽4.2m×高3.0m。利用Mohr-Coulomb计算模型进行此次数值模拟计算，计算所得到的各岩层的力学参数如表1所示：

5 支护方案

利用数值模拟计算结果显示，在3107工作面中的回风巷所采用的支护方法最后尺寸确定为：顶部支护是Φ20mm，长度是2400mm，选择HRB335预紧力是30KN的左旋螺纹钢锚杆，每排设置安装6根，将排与排之间的间距设置为800mm×800mm；在回风巷顶端所使用的锚索尺寸为21.6×8300mm，设置间距为1600mm的每排为3根，排与排之间的距离是1600mm；两帮帮部使用预紧力达到30KN，长度是2400mm，左旋螺纹钢锚杆Φ20mm，间排距设置为800mm×800mm，将最底层的锚杆俯角设置成350，每隔2排锚杆打1排2根直径。21.6×4200mm的锚索，第一根距顶板仰角度100，间距是800mm，第二根距顶层板设置为水平方向，间距为2200mm。

参考文献：

[1]邹灿.大冶铁矿井下开采巷道围岩稳定性分析及控制技术研究[D].中国地质大学，2014.

[2]肖迎春.开挖却荷诱发巷道围岩失稳特性及支护方法研究[D].昆明理工大学，2016.

[3]葛勇.露井联采台阶爆破对地下巷道稳定性影响研究[D].北京科技大学，2015.

[4]张特华.急倾斜特厚煤层动压巷道围岩稳定性研究[D].西安科技大学，2014.