基于地应力的巷道围岩支护设计及校核

2021-01-06王杨

煤矿现代化 2021年1期

王杨

(山西晋煤集团赵庄二号井，山西长治 047100)

0 引言

井下工作面回采期间，其两侧的平巷对于工作面的服务作用不言而喻，只有当工作面两侧的平巷围岩结构完整性较高、收敛位移量较小时，巷道才能够较好的完成行人、运输、通风等作业要求[1-2]。在我国矿山巷道支护方面，采用较多的为锚杆/索支护方法，如何合理的设计锚杆/索参数，以及对设计方案合理性的校核，对于巷道围岩支护设计的意义十分重要。

本文综合考虑钻孔地质勘测和地应力测试结果，在此基础上对于巷道掘进方向及围岩支护方案进行了设计。后续通过数值模拟和现场矿压观测相结合的手段，对于支护方案的合理性进行了验证。研究结果为具有类似地质条件巷道围岩的支护设计提供了借鉴和指导意义。

1 工程地质概况

山西晋煤集团赵庄二号井目前主采2301 工作面位于井田内的西翼盘区，该工作面沿倾向宽为155m，沿走向长为595m，其主采3# 煤层平均厚度为4.26m，平均倾角为3°。2301 工作面内运输平巷和回风平巷服务于工作面开采期间，因此对于工作面两侧平巷的支护质量有较高的要求。根据2301 工作面内的钻孔柱状图揭示情况，可知2301 工作面煤层顶底板岩性分布情况如表1。

表1 2301 工作面煤层顶底板岩性情况

由表1 可知，2301 工作面内煤层直接顶板为中厚层状半坚硬顶板，但受到煤层巷道沿顶板掘进影响，其顶板岩层较为破碎；同理可知巷道底板为中厚层状坚硬底板，底板破碎程度较顶板轻微；由于煤层普氏系数大于1，且单轴抗压强度测试结果为14.0 MPa，由此可见工作面主采3#煤层属于硬煤，煤体完整性较好。

2 水平构造应力对巷道影响分析

赵庄二号井井田内地应力情况根据之前在井底车场配风巷内（第一测站）、1304 外回风平巷内（第二测站）和东轨大巷内（第三测站）三个地点的测试结果所确定，其具体测试参数情况如表2。

表2 赵庄二号井地应力测试结果

由表2 可知，三个测站中最大水平主应力的最大值为14.78 MPa，最小值为13.02 MPa，其对应的垂直应力为10.15 MPa 和11.95 MPa，可以计算得到该井田的侧压系数λ 取值范围为1.09～1.46，以水平构造应力为主。

根据赵庄二号井现场地应力测试结果，分别对侧压系数λ 取值为1.1、1.2、1.3、1.4 和1.5 时的5 种情况进行数值模拟，并对巷道底板塑性区范围进行监测，结果如图1。

图1 不同侧压系数λ 时巷道底板塑性区演化规律

由图1 可知，当侧压系数λ 值由1.1 增大至1.5时，期间其底板塑性区深度增幅依次为17.6%、20.4%、22.5%和25.4%，可见底板塑性区深度随着侧压系数λ 值的递增而增幅加剧，这意味着在较高的侧压系数λ 值影响下，巷道底板破坏深度急剧加大，进而造成巷道底板煤岩体的不稳定，为后续底板事故的发生埋下隐患。

当巷道底板破坏深度较大时，随着工作面的回采，巷道底板极易受采动影响形成的高集中静载和剧烈动载叠加扰动影响而诱发底板冲击事故，关于巷道底板的受力破坏机理如图2。

图2 巷道底板破坏力学模型[3]

由图2 可知，在较高的侧压系数λ 值影响下，巷道底板煤岩体深度方向大范围处于塑性破坏状态，此时顶板破断会产生较为剧烈的动载荷σd，并且会增大覆岩对巷道两侧煤体的垂直压应力σy，其与较高的水平构造应力σx共同叠加作用下会造成已处于塑性破坏状态的巷道底板煤岩体瞬间滑移涌入巷道自由空间内，进而造成巷道底板冲击事故。

在对巷道掘进方向进行设计时，要让巷道掘进方向尽量与水平构造应力方向相一致。由表2 可知地应力测试的最大水平主应力方向均为北偏东方向，因此将2301 工作面两侧平巷掘进布置为北偏东方向，这样巷道底板受到的侧压系数较小，底板内煤岩体处于塑性破坏的深度也较小，有利于后期回采期间巷道底板的维护。

3 支护参数的确定

根据表1 所示的2301 工作面煤层顶底板岩性情况，并根据邻近盘区的支护方案及可锚性试验结果，对2301 工作面两侧平巷支护方案进行了初步设计，如图3。其中锚杆的初始锚固力不低于150kN，初始预紧力矩范围为300～400N·m，锚索的初始预紧力不低于250kN。

图3 巷道详细支护方案

4 支护方案数值模拟校核

基于巷道净断面尺寸以及表1 所示的2301 工作面煤层顶底板岩性情况，采用Flac3D 软件建立三维数值模型。根据弹性力学中的偏应力定义可知，第二偏应力能够直观的表示出岩体受到剪切应变作用时变形破坏的本质特征[4-5]，因此对数值模拟运输结果采用如式(1)所示的第二偏应力计算公式进行求解计算，再采用相应的后处理软件对数据进行云图化，最终得到的巷道围岩第二偏应力云图如图4。

式中：σ1、σ2和σ3分别表示数值模拟运算求解得到的巷道围岩中第一、第二和第三主应力的大小，MPa。

图4 巷道围岩第二偏应力分布云图

从图4 中2301 工作面两侧平巷（胶带平巷、轨道平巷）围岩中第二偏应力演化规律可以看出，巷道围岩中第二偏应力值整体较小，基本上均小于5 MPa。这表明巷道围岩在该支护方案下并未受到大范围剪切应变而十分碎裂，巷道围岩完整性较好，该支护方案能够有效控制巷道围岩受力情况。

图5 巷道围岩塑性区分布情况

从图5 中2301 工作面两侧平巷（胶带平巷、轨道平巷）围岩中塑性区分布规律可以看出，巷道围岩中拉伸和剪切破坏范围整体较小，巷道顶板塑性区深度仅为3.4 m，实体煤帮塑性区深度仅为2.5 m，均处于较小的破坏范围。

可见，从第二偏应力和塑性区分布的角度均可以看出该支护方案对于巷道围岩起到了很好的控制效果，巷道围岩在该支护方案下围岩应力环境良好，而良好的应力环境也保护了巷道围岩受拉剪应力作用而出现大范围塑性破坏的可能性。

5 现场矿压观测

后续现场2301 工作面掘进期间，通过在掘进工作面后方50 m 位置处的巷道两帮和顶底板中间位置处安装楔形倒钉，并通过十字观测法[6]来对巷道围岩收敛位移量进行观测。分别在胶带平巷和材料平巷内各布置3 个测站，通过对观测的数据进行汇总平均化，可以得到巷道围岩表面收敛位移量随时间的变化曲线，如图6。

图6 巷道围岩收敛量观测结果

由图6（a）可知，2301 工作面胶带平巷围岩表面收敛位移量在巷道掘出后60d 时开始趋于稳定，最终巷道水平收敛位移量为104mm，底板鼓起位移量为191mm，顶板下沉位移量为35mm，胶带平巷整体收敛位移量均较小，整体收敛位移量控制在5%以内；由图6（b）可知，2301 工作面材料平巷围岩表面收敛位移量在巷道掘出后80d 时开始趋于稳定，最终巷道水平收敛位移量为55mm，底板鼓起位移量为67mm，顶板下沉位移量为15mm，材料平巷整体收敛位移量也均较小，整体收敛位移量同样也控制在5%以内。

通过现场采用十字观测法对巷道围岩收敛位移量进行观测，进一步验证了采用图3 所示支护方案能够很好的对巷道围岩进行有效控制，进而提高巷道围岩整体完整性结构，使得2301 工作面两侧的胶带平巷和轨道平巷能够更好的服务于2301 工作面的回采作业中，为后续工作面回采期间行人、运输、通风等提供良好的作业环境。