高应力区域掘进巷道围岩稳定性分析

郝 凯

（霍州煤电集团有限责任公司辛置煤矿，山西 霍州 031400）

短期内，我国“少油少气富煤”的能源现状不会发生改变。因此，煤炭在我国能源结构中依旧占据主导地位[1]。但随着煤炭资源的不断回采，矿井面临的地质条件愈加复杂，巷道围岩的控制成为难点之一。目前，对于复杂地质条件下巷道围岩的控制已经有了很多研究，且在大断面巷道、大变形巷道以及大采深矿井巷道围岩控制等方面取得了较大进展[2-5]。但对于多次采动影响下巷道围岩控制方面的研究却较少，本文针对这一问题，利用数值模拟方法对巷道的受力特征进行了初步探讨，通过改进支护方式有效控制围岩的变形，实际应用取得了良好的效果。

1 工程概况

辛置煤矿目前主要回采2#煤层，1209 工作面正在回采期间，工作面走向长1 200 m，倾向长280 m，工作面西面与1211 采空区相邻，东面为正在回采的1206 工作面，北侧为1209 材料斜巷，南侧巷道分别为1209 回风大巷以及采区的轨道大巷。在1211 采空区以及1206 工作面采动压力共同影响下，导致1209 材料斜巷围岩变形严重，多次出现前面掘进后面维修的情况，急需对1209 材料斜巷进行加强支护，确保回采和掘进工作的顺利进行。

1209 材料斜巷原支护方案如下：

（1）顶板锚杆（直径20 mm、长度2 300 mm）间排距为900 mm×900 mm，均与巷道顶板呈垂直布置；同时配合单体锚索（直径21.6 mm、长度8 300 mm）进行支护；

（2）巷道两帮采用直径20 mm、长度1 650 mm的左旋螺纹钢锚杆进行支护，锚杆间排距为800 mm×800 mm，靠近巷道顶板锚杆的施工角度为20°，靠近巷道底板锚杆的施工角度为10°。

2 数值模拟分析

正在掘进的1209 材料斜巷，因围岩强度整体较低，在多次采动影响下巷道围岩的变形严重，需改进支护。考虑到地质条件的复杂性，现场围岩监测难度大，拟通过FLAC3D数值模拟软件分析探讨该巷道的受力特征。

根据巷道现场地质资料，建立长500 m，宽400 m，高290 m 的模型；其中，材料斜巷长500 m，宽4.2 m，高3 m；数值模拟中岩层物理力学参数如表1所示，模型共设置1 602 514 个单元，1 725 414 个节点。

表1 数值模拟岩层物理力学参数

模拟主要分析1209 材料斜巷的受力特征，记录与1211 采空区不同距离下巷道中点的垂直应力和水平应力变化规律，如图1所示。从图1看，在1206 及1209 工作面开采以及1211 采空区的影响下，垂直应力曲线呈现先降低后升高然后降低的趋势，在1211 采空区煤柱侧6 m 的位置，垂直应力值从17.7 MPa 降低至8.77 MPa；在1211采空区煤柱侧18 m 的位置，垂直应力值达到峰值29.9 MPa，距离采空区煤柱36 m 的位置垂直应力值稳定在19.1 MPa；水平应力曲线呈现先降低后升高然后降低的趋势，其变化规律与垂直应力曲线变化规律不同的是水平应力值较低，在1211采空区煤柱侧6 m 的位置，垂直应力值从13.7 MPa降低至8.2 MPa； 在1211 采空区煤柱侧18 m 的位置，垂直应力值达到峰值25.2 MPa，距离采空区煤柱36 m 的位置垂直应力值稳定在16.3 MPa。

图1 1209 材料斜巷应力变化曲线

上述分析表明，在1211 采空区煤柱侧9～36 m的位置，1209 材料斜巷处于高应力区，在采空区煤柱侧18 m 位置时，巷道水平应力及垂直应力值均达到最大；整体而言，高应力是造成巷道围岩变形大的主要原因；在高应力区域需改进支护方式，以提高围岩抵抗变形的能力，维持巷道的稳定性。

3 围岩控制技术

根据数值模拟结果，针对1209 材料斜巷，对其支护方案作如下改进：

1）巷道顶部采用直径22 mm，长2 500 mm的左旋螺纹钢锚杆进行支护，锚杆的间距和排距均为800 mm，每排布置4 根锚杆，靠近巷道帮部的锚杆与巷道垂直线呈15°； 同时采用直径为21.6 mm，长度8 300 mm 的单体锚索，锚索间距1.6 m，锚索配合树脂药卷和高强度预应力进行施工，确保锚索的预紧力大于200 kN。

2）巷道两帮采用锚杆配合槽钢锚索支护的方式进行支护，即采用直径20 mm、长度1 650 mm的左旋螺纹钢锚杆，每根锚杆需配合使用三个树脂药卷进行锚固，锚杆之间的间距和排距均为800 mm，确保锚杆提供的预紧力大于200 kN。在施工过程中，靠近巷道顶板锚杆的施工角度为20°，靠近巷道底板锚杆的施工角度为10°。

3）考虑到巷道水平受力较大，在实际支护过程中也出现过巷道两帮位移较大的情况，采用槽钢锚索进行进一步的加强支护，用直径21.6 mm、长度5 300 mm 的锚索固定槽钢，两根锚索的间距为1 600 mm，上位锚索与巷道水平线呈20°，距离顶板1 m，下位锚索与巷道水平线呈-10°，距离底板0.6 m。

4 效果分析

为了验证支护方案的有效性，对支护段内的巷道围岩变形进行为期60 天的监测，变形数据如图2所示。从图2看，顶板变形量最大，其次是两帮收敛量，变形量最小的是底板鼓起量。

图2 巷道围岩变形监测曲线

1）巷道顶板：在监测的前20 天内，顶板变形量呈线性增长的趋势；在20～40 天内，顶板变形速率增加，从20 天的24 mm 增长至100 mm；40 天以后的，顶板变形量缓慢增长，最终稳定在111 mm；顶板变形主要分为三个阶段，0～20 天内变形速率较快，20～40 天内变形速率最快，40～60天内变形速率较慢，最终趋于稳定值。

2）巷道两帮：主要分为两个阶段，监测时间在0～42 天范围内时，两帮收敛量稳定增加，42～60天范围内，两帮收敛量缓慢增加，最终稳定在63 mm。

3）巷道底板：主要分为两个阶段，监测时间在0～45 天范围内时，两帮收敛量稳定增加，45～60天范围内，两帮收敛量缓慢增加，最终稳定在44 mm。

综上可知，处于高应力区域的1209 材料斜巷因为受力的不均匀，导致巷道顶板、两帮以及底板的变形量不同，高应力区域及上覆围岩重力的共同作用致使顶板变形量最大，高应力区域的较大水平应力使得两帮收敛量较大； 但改进支护后，围岩抵抗变形的能力增强，巷道处于稳定状态，证明该支护方案合理、可靠。

5 结论

1）通过数值模拟分析，在1211 采空区煤柱侧9～36 m 范围是巷道的高应力区域，18 m 位置时垂直应力和水平应力值均达到峰值。

2）巷道顶板采用锚杆锚索支护，两帮采用锚杆配合槽钢锚索支护； 需严格施工保证锚杆锚索提供有效预紧力。

3）应用表明，该支护方案有效控制了围岩的变形，巷道保持稳定。