高应力软岩条件下巷道围岩控制技术研究

张 磊 赵云凯

（1.潞安环能股份公司常村煤矿，山西 长治 046102； 2.长治红山煤业有限公司，山西 长治 046102）

软岩巷道的有效支护一直是一个难题[1]，巷道开挖后，巷道会产生流变性，巷道围岩稳定时间变长，从而增加了巷道围岩的支护难度[2-3]。常村矿2206 工作面运输平巷在原支护设计方案下，巷道的支护效果不理想，巷道变形严重，稳定性很差，每过两个月需返修一次，影响矿井的正常生产。因此决定对巷道原支护参数进行分析、优化，通过数值模拟比较两种支护参数，最后进行工程应用。

1 概况

常村煤矿2206 综放工作面主要开采山西组3#煤层。3#煤层平均厚度为6m，平均倾角为4°，为近水平煤层，平均埋深为470m。直接顶为泥岩，灰黑色，石英为主，长石次之，平均厚度为1.65m；基本顶为细砂岩，灰黑色，平均厚度为9m；底板为砂质泥岩、细砂岩。采用综采放顶煤开采工艺，工作面平均采高3m，放煤高度3m，采放比为1 ∶1，采用全部垮落法管理顶板。该矿2206 工作面运输平巷巷道断面为矩形，巷道宽4.5m，高3.2m，采用“锚网索”联合支护方式。如图1 所示。

2206 运输平巷掘进过程中，巷道矿压显现剧烈，主要体现在2 个顶角处、两帮的下端和未支护的底板。辅助回风巷是矩形巷道，在2 个顶角处出现应力集中，导致顶角破坏，顶板稳定性差，局部出现冒顶现象，锚杆锚索失效。巷道煤柱帮由于受上区段采动及本区段掘进影响，变形量大，部分区域出现片帮。

2 支护参数优化

为控制巷道围岩变形，应在优化支护方案中将重点放在2 个顶角处，同时兼顾顶板中部和两帮。优化设计应当将锚索偏向两个顶角处，采用加强锚索进行支护，顶板采用支护效果更好的螺纹钢锚杆支护。两帮应加强支护强度和密度，煤柱帮采用螺纹钢锚杆支护，同时两帮处的底脚锚杆向下可有一定角度，用来防止底鼓。

图1 2206 运输平巷原支护

优化后的巷道支护，顶板采用加强锚索、螺纹钢锚杆进行支护，两帮增加了锚杆的长度、强度和密度，如图2 所示。

图2 优化后巷道断面图

顶板支护：锚杆选用Φ20mm×2600mm 的左旋螺纹钢锚杆，外侧的2 根锚杆倾斜10°，其余四根锚杆垂直顶板布置，每根顶锚杆采用两支MSCK2350 树脂锚固剂。托板规格为150×150×10mm 托 板。锚 索 材 料 为Φ20mm，1×19 股高强度低松弛预应力钢绞线，延伸率7%，钻孔直径Φ30mm，锚索规格为Φ20-1-6800mm；锚索托板采用300×300×16mm，高强度可调心托板及配套锁具。锚索锚固正常采用三支MSZ2350 树脂药卷锚固，锚索孔流水成线时采用四支MSZ2350树脂药卷锚固。

帮部支护：螺纹钢锚杆规格为Φ20×2600mm，锚杆配件为半圆式打眼钢托板（Φ160×400mm）、碟形托盘（150mm×150mm×8mm）、螺母。螺纹钢帮锚杆上下帮往外侧倾斜10°，中间两根锚杆垂直煤墙打设，采用一支MSZ2350 中速树脂锚固剂进行锚固，钻孔直径为Φ22mm，扭矩为50N•m。

3 数值模拟

采用FLAC3D数值模拟软件，建立弹塑性材料模型。运用摩尔-库伦屈服准则判断岩体的破坏[4]。模型长度取70m，宽度取30m，高度取40m。计算过程中限制模型侧面水平位移、底边垂直位移，模型顶部施加10.75MPa荷载，代替模型上覆岩层自重。所需要模拟的物理力学参数见表1 所示。

表1 煤岩层及其力学参数

3.1 围岩垂直应力分布

图3 垂直应力图

如图3 所示，对比巷道顶板中部最小垂直应力，原支护为0.15MPa，优化后为0.18MPa，说明采用螺纹钢锚杆使破碎顶板承载力增强，改善了应力环境。对比巷道帮部垂直应力，原支护距离巷道帮部2.25m 处应力集中最大值为20.56MPa，优化后距离巷道帮部1.82m 处应力集中最大值为20.72MPa，说明巷道支护优化后帮部应力集中最大值虽增加了0.16MPa，但应力集中最大值距离巷帮的距离减少了0.43m。

3.2 围岩水平应力分布

对比巷道2 个顶角的水平应力，原支护为5.25MPa，优化后为5.30MPa，改善了巷道顶角的应力环境。对比巷道帮部应力降低区范围，原支护为0.87m，优化后为0.75m，说明帮部增加锚杆密度和支护强度可减少应力降低区范围。

3.3 围岩塑性区分布

巷道围岩破坏以剪切破坏为主，通过对比原支护与优化后支护，可发现原支护破坏范围比优化后大。对比顶板塑性区范围，优化后加长的顶板锚杆使浅部围岩整体性增强，两个顶角锚杆锚固在稳定岩层中，提高了顶角的抗破坏能力；帮锚杆锚固段在塑性区范围外，有效控制了巷道围岩变形。

4 支护效果观测

如图4 所示，在观测期内，巷道围岩的变形可分为三个阶段，第一阶段1～20d，围岩变形速率大；第二阶段20～50d，围岩变形速率减缓；第三阶段50d 以后，围岩变形基本趋于平缓。根据图可知，顶底板最大下沉量为144mm，两帮内移量最大为121mm，说明减小锚杆间排距，增加锚杆长度，采用加强支护可有效控制巷道围岩变形。

图 4 巷道变形与时间关系曲线

5 结论

优化巷道的支护参数可控制高应力软岩条件下围岩变形。通过数值模拟与原支护相比较，巷道2个顶角支护得到加强，减弱了顶角水平挤压力，帮锚杆支护长度、强度和密度增加使浅部围岩连成一个整体，围岩承载力增强，顶板与帮部联合支护作用使底鼓量减少，工程应用取得良好的效果，可为类似矿井提供借鉴。