大断面巷道围岩失稳机理及稳态支护控制研究

2019-03-06史春生

中国煤炭 2019年2期

史春生

(霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿，山西省临汾市，041000)

在煤炭地下开采中，由于煤层赋存条件的复杂多变，巷道掘进的工程量极大，而且巷道稳定性受采场采动作用的影响较大，如果巷道围岩强度较小，则巷道稳定性支护更加困难。大断面巷道在掘进过程中破坏了岩体的原岩应力状态，引起应力的重新分布，在此过程中，巷道围岩发生变形运移、塑性屈服甚至失稳破坏，而巷道支护结构所受载荷的大小和方向也一直在发生变化。在矿压显现作用下，巷道稳定性破坏表现为底板底鼓、断面尺寸收缩、覆岩垮落等。本文以李雅庄煤矿大断面回采巷道为工程背景，对巷道所处地层的覆岩结构特征进行测试，对巷道围岩失稳的机理进行研究，进而提出合理的巷道支护方案，同时通过现场实测验证支护方案的合理性，本文研究方法可为其他矿井大断面回采巷道支护技术的研究提供借鉴意义。

1 巷道覆岩结构特征

工作面覆岩结构受岩体岩性以及所受构造应力的影响较大，在长期地质作用下，岩层表现为显著的非连续性，各个方向上的结构差异明显，内部发育规模不等、方向各异的裂隙。为了研究工作面上部不同层位岩层的赋存情况，采用钻孔窥视法得到覆岩的结构特征，如图1所示。

图1 钻孔岩体结构示意图

由图1可以看出，距孔口0.9 m和2.9 m位置的岩体较为破碎，完整性极低，明显受到巷道开掘的影响；距孔口3.4 m和3.9 m位置的岩体发育较多裂隙；距孔口4.3 m处岩体破碎程度较高，而距孔口5.8 m处岩体完整程度较高，只发育一些小型裂隙，受巷道开掘的影响较小。总体上看，在钻孔范围内部分岩层破碎度较高，部分岩层发生离层现象，大部分的岩层内部均发育裂隙，故大范围的岩层完整性较低，需要对该范围内的岩层进行加固。

2 巷道围岩失稳机理分析

2.1 巷道覆岩失稳机理

对于大断面巷道顶板，各分层间的离层是造成其失稳的主因。为了简化研究问题，认为巷道顶板所受的载荷为均布载荷，巷道顶板两端受到固定约束。由于巷道埋深较大，故巷道顶板所受的应力以构造应力为主，岩梁两端截面所受的应力(正应力和剪应力)较大，则顶板发生拉伸破坏或者剪切破坏的概率较高，由此将大断面巷道顶板简化为纵横弯曲梁模型，如图2所示。

由纵横弯曲梁理论可知，顶板中部的变形最大，且其最大变形为：

(1)

式中：P——岩梁两端所受的水平应力；

E——岩梁的弹性模量；

I——岩梁的惯性矩；

b——岩梁宽度；

c1、c2、k、A、B——常量系数。

图2 深部巷道顶板简化模型示意图

2.2 巷道两帮失稳机理

大断面巷道开掘的空间较大，将巷道两帮视为厚度较小的地基体，则岩梁所受的地基支撑反力q′与岩梁的变形量w成正比：

q′=kbdw

(2)

式中：kb——地基系数；

d——岩梁宽度；

w——岩梁变形量。

巷道两帮的失稳形式主要表现为片帮，同时巷道两帮变形具有对称性，认为煤壁片帮区外的煤体变形较小，故建立巷道一帮的弹性地基梁模型时认为片帮区与非片帮区的接触点为固定约束，靠近采空区一侧的煤体不受约束，为自由变形端，则巷道两帮的模型如图3所示。

图3 深部两帮的弹性地基梁模型示意图

基于弹性地基梁均布荷载短梁模型理论，地基梁所受的压力为：

(3)

式中：H——巷道高度。

(4)

由此可得巷帮所受的侧压力为：

(5)

式中：ka——主动土压力系数；

φ——煤体的内摩擦角；

cb——煤体的黏聚力；

γ——煤体的容重；

h——巷帮某一点距覆岩的距离。

3 支护方案

矿井目前开采煤层厚度最大为4.9 m，平均为3.08 m，赋存稳定，煤体内部裂隙发育较多，完整性和强度相对较低，含有极薄的夹矸层。巷道直接顶岩层为泥岩，强度较低，在采掘作用下容易发生破碎失稳。工作面回采巷道为矩形巷道，巷道宽度和高度分别为5.2 m和3.2 m。因此提出巷道的支护方案为：高预紧力锚杆+树脂+锚索共同支护，巷道支护设计如图4所示。

图4 大断面巷道支护设计示意图

对该方案下的支护效果进行数值模拟验证，得到应力分布特征如图5所示，由图5可以看出，各个锚杆的应力场相互作用形成了多根锚杆锚固的应力场，在锚杆尖端形成了一定范围的拉应力场，在托板位置形成了一定范围的压应力场；在整个锚杆支护岩体的应力场中，尖端处所受拉应力最大，托盘位置压应力最大，中间位置岩体压应力最小。各个锚杆支护形成的应力场会相互重合，成为一个整体，整体的支护结构表现为“鼓状”在重合带应力场相互叠加，形成了较大的锚固范围。

图5 巷道围岩应力分布云图

4 支护效果的现场评价

通过离层测试仪对巷道上部不同层位岩层的变形量进行现场实测，从而对支护方案的合理性和有效性进行效果评价。共布置2个测站，分别布置在巷道支护后300 m和800 m处。每个测站均布置A、B、C共3个测点，其中，A测点在巷道断面中部上方1.5 m处，B测点布置在巷道断面中部上方3.5 m处，C测点布置在巷道断面中部上方5.5 m处。

图6 1号测站巷道覆岩离层变形量变化曲线

1号测站巷道覆岩离层变形量变化曲线如图6所示。由图6可以看出，在巷道支护后300 m处，当距工作面距离较远时，巷道覆岩较深处离层量为零，稳定性极高，而在巷道上部1.5 m的位置离层量不足0.5 mm，说明锚固范围内岩层保持较高的完整性。在工作面推进过程中，随着测站距工作面距离缩短，巷道围岩开始受到采场采动的影响，故覆岩离层量增大；另一方面，由于采场采动作用下巷道覆岩重分布的应力场达到平衡状态需要一段时间，故覆岩离层量的增大速率随着距工作面距离的减小而增大。当距工作面距离为0 m时，巷道上部1.5 m、3.5 m和5.5 m处的离层量达到最大，分别为8.8 mm、4.4 mm和0.75 mm，总体上离层量不大，锚固效果较好。

图7 2号测站巷道覆岩离层变形量变化曲线

2号测站巷道覆岩离层变形量变化曲线如图7所示。由图7可以看出，在巷道支护后800 m处，当距工作面20～50 m范围内时，锚固岩层几乎不受采场采动的影响，离层量仅从0 mm增大到0.5 mm，覆岩离层量增大速率较为缓慢；当距工作面20 m以内时，覆岩最大离层量仅从0.5 mm增大到4.47 mm，离层量极小。

综上分析，在不受采场采动作用下，巷道施加支护后深部岩层不会发生离层，而浅处岩层的离层量也未超过0.5 mm，这是由于联合支护与巷道围岩的相互作用达到平衡，锚固范围内岩层保持较高的完整性。当距工作面距离为0 m时，覆岩最大离层量为8.8 mm，说明所选支护方案有效控制了巷道覆岩离层现象。