巷道围岩变形破坏特征及支护方案研究

2021-02-25徐付军

能源与环保 2021年2期

徐付军

(河南能源化工集团永煤公司车集煤矿，河南永城 476600)

随着我国煤矿综合机械程度有较大的提高，巷道的回采速度也逐渐增大，但是巷道掘进速度无法完全匹配开采速度，影响了煤矿的整体开采速度。我国煤矿早在20世纪50年代对煤矿巷道支护进行了研究，在锚杆初期，主要使用机械锚杆、树脂锚杆、缝管式锚杆等，随着煤矿开采技术的进步，锚杆支护理论逐渐由组合拱理论、悬吊理论、组合梁理论发展为最大水平地应力和围岩松动圈知乎理论，深入的分析了巷道围岩和锚杆—索的关系及锚杆支护围岩稳定机理，改善了锚杆—索的支护巷道的效果[1-3]。鉴于此，本文研究了巷道围岩变形破坏特征及支护方案，理论分析了巷道围岩变形破坏特征，得到了巷道塑性区和原岩应力关系，数值模拟了不同巷道支护下巷道垂直应力分布情况，并进行了现场实测。研究为类似工程条件下巷道支护方案设计提供了理论支持。

1 工程概况

研究对象为某矿胶带运输巷，主要满足综采工作面设备安装、管线铺设、运输、行人和通风等。煤层倾角为0～3°，煤层坚固性系数为3.5，煤层层理发育，绝对瓦斯涌出量1.87 m3/min。煤层底板为粉砂岩，含煤屑及植物化石碎片，具有滑面，深灰色，厚13.3 m；煤层基本顶为细粒砂岩，中间夹薄层粉砂岩(厚度约0.28 m)，水平及小微波状层理，泥钙质胶结，浅灰色，平均厚度20.4 m。巷道净宽5.4 m，净高2.8 m。岩层物理力学性质见表1。

表1 岩层物理力学性质Tab.1 Physical and mechanical properties of rock formation

2 巷道围岩变形破坏特征

当巷道开挖后，根据巷道不同的围岩破坏变形特征，可将巷道围岩变形分为结构变形、弹塑性变形和碎胀变形。其中，弹塑性变形最为常见，当岩体未受到影响时，处于原岩应力状态，此时岩体处于弹性阶段，经过开挖后，巷道围岩出现塑性区，具体表现为3个阶段[4-6]：初始剧烈变形、中期缓慢变形、末期稳定变形。巷道围岩变形速率如图1所示。

图1 巷道围岩变形速率Fig.1 Deformation rate of roadway surrounding rock

经过3个阶段，巷道围岩应力状态由高应力转变为地应力，巷道出现较大的变形，因此需要采用外力支护来缓解巷道围岩的蠕变，根据巷道围岩性质，主要采用锚网喷支护、锚杆支护和工字钢支护等抑制巷道围岩的蠕变。

巷道围岩受力状态可简化为巷道受力模型(图2)，图2中，P为原岩应力，a为巷道半径，(r，θ)为塑性区边界任一点极坐标。当巷道围岩达到极限状态时，巷道强度并没有完全消失，而是随着变形的增加逐渐降低。

图2 巷道受力模型Fig.2 Roadway force model

在各向等压情况下，巷道塑性区半径计算公式为：

(1)

式中，r为巷道塑性区半径；C为围岩的黏聚力；φ为围岩的内摩擦角；a为圆形巷道半径；Pi为支护阻力；P为原岩应力。

由式(1)可知，巷道塑性区和原岩应力呈正比，随着开采深度的增大，巷道塑性区范围逐渐增大。

3 巷道支护模拟效果分析

3.1 不同支护方案下巷道垂直应力分布

本文采用FLAC3D数值模拟软件[7-10]，分析了巷道支护的可行性以及快速支护的必要性，模拟分析了4种方案：方案1为低强度锚杆支护方案，方案2为高强度支护方案，方案3为在方案二的基础上增加了肩角的锚杆，方案4为在方案3的基础上增加了1根高应力锚索。4种方案的锚杆采用直径为18 mm、长2 100 mm的Ⅱ级螺纹钢筋锚杆，锚索采用直径为15.24 mm、长7 300 mm的钢绞线。各支护方案如图3所示。