煤矿巷道变形破坏原因及稳定性支护研究

＊高 杰

（西山煤电安全监管五人小组管理局 山西 030053）

引言

随着浅部煤炭的开采殆尽，很多煤矿已经逐渐朝深部转移，在深部开采环境下，巷道围岩自身性质与应力环境相对于浅部围岩有着较大差别。在深部巷道支护的过程中，仍旧选择使用浅部巷道支护方式，在很多方面已经表现出较大的局限性，需充分结合深部巷道地质条件，对巷道支护方案进行综合研判，更好提升支护实效。因此，对煤矿巷道变形破坏原因及稳定性支护研究进行分析有着较为重要的意义。

1.工程概况

某煤矿运输大巷埋深在605m-615m之间，巷道周边存在较多开采工作面，巷道原支护设计采用的是全锚杆支护，支护参数为：φ20mm×2m，间排距设计均为800mm。在巷道开挖之后，整体出现了较为严重的变形问题。之后为了保证巷道稳定性，采取打设锚索的方式对巷道进行强化支护，锚索支护参数为φ16mm×3.5m，两帮设置2根，顶板对称布置6根。但是在锚索打设之后，巷道仍旧出现了较为严重的变形，严重制约到巷道功能的发挥，图1为巷道原支护设计图。在巷道施工的过程中，为了更好地提升防冲效果，在巷道帮部施工了大孔径的泄压控，间距设计为2m。在卸压空施工后，巷道表面出现了较大的位移，很多地段甚至出现了巷道断面整体严重收敛的问题，这表明，通过施加防冲钻孔，对整个巷道完整性带来了较大的破坏，已经严重影响到巷道的正常使用。

图1 巷道原支护示意图

2.巷道变形破坏特征分析

对巷道出现的变形破坏问题进行了深入分析，得到巷道变形破坏原因有：该巷道距离多个开采工作面距离较近，受到采动影响较为明显，围岩整体处于相对较高的应力状态，容易出现较大的变形破坏。从现场的观察来看，巷道在很多地段出现了明显的片帮问题，顶板也出现了不同程度的下沉，形成的“网兜”也相对较多，部分位置巷道顶板出现面积较大的剥落问题，钢筋网也出现了破断的情况，给煤矿井下运输带来了严重的影响。本次选择使用钻孔窥探仪对巷道围岩变形破坏情况进行了深入的分析，得到了围岩内部的破坏情况，见图2。

图2 围岩钻孔窥探结果

从图2可看出，巷道围岩塑性区的范围非常大，已经超过了4m，巷道围岩整体的破坏深度也相对较深，这表明在巷道围岩的深部已经出现了较为严重的变形破坏问题，原支护条件下，锚杆、锚索支护均全部处于塑性区范围内，支护效果已经丧失。同时，从现场勘察情况来看，围岩出现了明显劣化，主要表现在两个方面。一方面，巷道在开挖之后，导致围岩湿度、温度等出现了较大的变化，在地下水、风等因素的影响下，巷道围岩物理性质出现了明显的弱化。另一方面，在开挖之后，巷道围岩应力状态出现了变化，围岩承担的集中应力朝深部移动，在应力内移的过程中，巷道围岩出现了塑形变形、裂纹、扩容及最终的破坏，导致巷道围岩整体的强度不断下降，围岩出现了明显的劣化问题。这两个过程是相伴相生的过程，对围岩劣化带来的影响明显。此外，在偏应力作用下出现的巷道围岩扩容变形，在开挖巷道后，围岩在不同的方向出现了不同的卸荷，导致围岩偏应力增加，同时应力梯度出现了增加。随着偏应力的不断提升，围岩体积逐渐提升，尤其是达到了峰值强度之后，围岩扩容的问题明显，导致围岩出现碎涨破坏，在破裂面出现旋转、离层及滑移等变形破坏。

此外，从原支护来看，对巷道围岩和各个支护体之间相互作用的机理并没有一个较为清晰的认识。对较强采动影响下、高应力条件下的巷道围岩控制并没有一个较为有效地支护方案，仍旧采用传统的方式对巷道进行支护，导致巷道围岩出现了支护问题。同时，巷道支护整体的锚固力相对偏低。虽然采用了注浆补强加固的方式，但是从加固的情况来看，效果较为有限。通过在现场采取拉拔试验得到，锚杆的锚固力为85kN，在另一侧锚固力仅仅为20kN，这表明锚杆整体的支护效果相对设计有着较大的差距。尤其是运输巷在采动影响下，整体出现了较多的裂隙问题，降低了锚索、锚杆整体锚固力。虽然技术人员进行了针对性的注浆，但是从现场的情况来看，锚杆与锚索并没有取得较好的“生根”效果，对巷道整体的支护效果较差。

3.巷道返修支护数值模拟分析

根据巷道所处地质条件，选择使用Phase软件对巷道返修支护方案进行模拟分析，建立了30m×25m的二维数值模型，按照库伦摩尔准则，设置的模型边界条件为：底板设计为固支、四周设计为铰支，上部设置为自由边界。巷道围岩物理力学参数参数如表1所示。对在不同支护条件下，巷道塑性区分布情况、巷道位移情况等进行了模拟，得到了巷道支护方案。根据本次钻孔窥探结果，本次设计了四种模拟方案。见表2。

表1 岩体物理力学参数

表2 巷道返修支护方案设计

(1)不同支护方案下巷道塑性区范围

在不同的巷道支护方案下，模拟到了巷道不同的塑性区破坏范围，见图3。从图3可看出，在对巷道支护参数进行针对性的优化之后，巷道塑性区的范围相对于先前明显的下降，其中，方案四支护条件下，巷道塑性区的分布范围最小。

图3 不同支护条件下巷道围岩塑性区范围内

(2)不同支护条件下巷道围岩位移曲线图

在不同的支护方案下，巷道围岩位移分布情况见图4。对比可得到，在对巷道围岩支护参数进行优化之后，巷道围岩位移量相对于先前有了明显的下降，特别是方案四，巷道位移量得到了有效的控制。

图4 不同支护条件下巷道围岩位移图

通过数值模拟的方式，得到了在不同的支护方案下，巷道塑性区、位移量的分布情况图，得到了方案四相对于其他三个方案整体的巷道稳定性可得到较好的控制。因此，本次在进行返修时，可选择使用方案四对巷道进行返修。

4.巷道返修支护

根据巷道所处地段的实际情况，对巷道支护进行整体的返修，巷道返修支护示意图如图5所示。

图5 巷道返修支护示意图

本次设计在每个循环中设置2个注浆孔。本次钻孔φ42mm，注浆孔1与底板之间的距离为1.5m，长度设计为11m。注浆孔2与底板的距离为2m，长度设计为9.4m。本次注浆设计采用的微纳米无机有机复合改性材料。水灰比设计为0.9。在进行注浆时，压力控制在9MPa。注浆设计采用从下到上的顺序进行间隔注浆，有效提升注浆的渗透效果。

5.围岩支护效果

在工作面巷道采用了上述支护方案之后，在上述支护方案100m范围内设置了2个监测站，对整个掘进过程中巷道整体的变形情况进行了全面的监测，监测结果如图6所示。

图6 巷道掘进期间表面位移变化情况

图7 顶板离层仪观测数据

从本次返修情况来看，在巷道开挖之后，巷道的顶板、底板及两帮均出现了变形，整体变形持续时间相对较长，在距离迎头65m的位置整体表现稳定，最终得到两帮的相对移近量在25mm，顶板与底板的相对移近量在17mm。从这些数据可以看出，巷道整体的表面位移相对较小，这表明本次采取的返修支护措施，实现了对巷道围岩变形的有效控制，较好地保证了巷道整体的稳定性，取得了较好的支护效果。

通过对返修巷道顶板出现的离层情况进行监测发现，在巷道开挖之后，在巷道的顶板不论是浅部（2.4m的位置）还是深部（9m的位置）均出现了离层的问题，在开挖了30m左右之后，离层整体稳定，从离层数据可看出，巷道整体的离层量非常小，表明巷道顶板出现的离层数值均在安全的范围内。这表明，在返修过程中，选择使用的高强度预应力锚索、锚杆等形成的复合支护的方式，对巷道整个顶板的离层形成了有效的约束效果。

6.结束语

综上分析，在进行回采巷道支护的过程中，特别是厚煤层巷道支护中，整体的支护形势与任务相对于传统的巷道支护有着较大的不同，若仍旧采取传统的支护理念与方案，必然导致巷道支护过程中出现各种类型的问题。因此，在进行巷道支护时，应当充分结合巷道所处地段的实际情况，一切从实际出发，在保证巷道正常使用的前提下，还需综合考虑巷道支护成本，实现对巷道支护效果的全面提升，才能更好保证巷道支护的整体实效。