邢东矿高应力破碎矩形巷道围岩控制机理与技术研究

詹 平

(潞安化工集团潞宁煤业，山西，宁武，036706)

0 引言

经过数十年的开采，我国煤炭井工开采逐渐转入深部[1-6]，深部环境中巷道和硐室的围岩应力也相应升高[7-10]。在深部高应力的环境下，巷道围岩变形强烈，深部围岩如果再采用浅部巷道围岩控制技术来控制，效果不再明显，时常造成局部冒顶，危及工人的生命安全。

目前，锚杆索支护理论与支护形式在煤矿普遍应用，主要理论为新奥法理论、能量支护理论、轴变理论、联合支护理论、围岩松动圈理论、关键部位耦合组合支护理论、主次承载区支护理论、应力控制理论、围岩加固理论等，部分理论偏向于提高巷道的围岩的力学性质，充分利用巷道围岩体的承载能力，部分理论偏向于被动支护，利用大刚度大强度的被动支护来控制深部巷道围岩，但共识普遍认为锚杆索联合支护形式可以增加围岩的承载能力[11-17]。锚杆支护技术我国从80年代开始重点攻关，通过陆士良、侯朝炯、康红普、马念杰等一大批巷道支护专家学者和现场工程技术人员共同努力，锚杆支护技术目前我国已日趋成熟，在一般地质条件下采用锚网索联合支护，在节理裂隙发育的破碎围岩巷道或巷道断面大等特殊情况下采用有主动与被动方式的联合，主要形式有碹体-锚杆(索)、金属支架-锚杆(索)、金属支架-锚注等等，实践表明：锚杆锚固质量取决于围岩条件，巷道围岩条件差，导致锚杆锚固质量得不到保证，引发锚杆支护大面积失效，甚至引起冒落和片帮，带来安全隐患以及经济损失[18-21]。因此，本文对矩形巷道支护阻力与围岩应力分布规律、围岩变形规律和支架材质、结构与承载能力的关系开展研究，揭示加载支护阻力下的矩形巷道围岩应力分布规律，确定高应力破碎围岩巷道支护形式，为类似条件下矿井支护形式提供参考借鉴。

1 工程概况

1.1 矿井概况

邢东矿的2#煤为主采煤层，采深在600～1300 m，工作面长度602 m，埋深约970 m，倾角约为12°，煤层厚度约3.9 m。工作面布置示意图如图1所示。2号煤层平均厚度3 m，直接顶为细砂岩，平均厚度4 m，直接底为粉砂岩，平均厚度3.5 mm。工作面前方围岩应力高，围岩破坏范围较大，两帮支撑失稳，支护体严重破坏严重，影响巷道的正常使用。

图1 工作面布置

1.2 巷道矿压观测

巷道表面位移量观测采用十字布点法，测点布置在223运料巷，10 m为一个测点，共计4组测点。

从图2(a)可知，第一测点位置，在巷道开挖且支护后的130天内，变化速率相对较低的是顶低板和两帮围岩，在120～150天的时间里，岩体的变化呈现出一个突变的过程。观测期内的150天到260天内，围岩变化没有稳定的趋势。

图2 副暗斜井围岩顶底及两帮收敛曲线

从图2(b)可知，第二测点位置顶底版移近量在54天内增加到105 mm，两帮为51 mm。围岩在整个观测周期内没有趋于稳定的态势。

从图2(c)可知，第三测点位置为开挖支护后，顶底板移近量随着时间逐渐增大；而前186天两帮位移量平稳增长，但在186～193天剧烈增大，随后又平稳增长。

从图2(d)可知，第四测点位置随着开挖支护，顶底板变形量随时间逐渐增大。并且围岩在观测周期内都没有趋于稳定的态势。

通过对上述围岩变形监测数据的分析，认为围岩破碎区、塑性区范围大是引起深部高应力破碎围岩巷道变形的主要因素，且巷道变形大，流变持续时间长。

钢绞线锚索和20MnSi螺纹钢锚杆是邢东矿现在主要使用的支护材料，对围岩的控制达不到预期效果。

2 矩形巷道研究

建立如图3所示的力学模型。可视巷道围岩的分析是平面应变问题是因为巷道的宽度和高度远小于巷道长度。该模型巷道深度与上方的压力成正比关系：

P=γH

(1)

式中，H为巷道埋深，m；γ为岩层平均容重，kN/m3，取25。

在图3中，sP为施加在巷道水平方向的力，侧压系数为s表示。研究显示巷道围岩受到的水平应力比垂直应力大。为研究一般条件下的对称断面的矩形巷道，取巷道横截面为2a×2b，为了避免边界效应的影响，该模型大小为5倍巷道尺寸的形状。

图3 矩形巷道分析力学模型

由表1、图4可知，应力值随断面高宽比的减小而逐渐增大，并呈现负指数函数的关系。巷道断面较大程度地影响着巷帮中部位置的应力值分布。

图4 不同高宽比条件下巷帮中部应力值分布

表1 不同高宽比下巷帮中部应力值计算表

表2 不同侧压系数下巷道不同位置处应力值计算表

续表

由表3、图5可知，应力值随侧压力系数的增大而逐渐增大，并呈线性关系，且各部位的应力增长率也有差异，在与巷道水平方向呈30°位置处的应力增长率比在巷帮中部的位置的增长率高。

表3 围岩应力作用下巷道边不同位置处应力值计算表

图5 不同侧压系数下条件下巷道应力值分布

由表4、图6可知，巷道顶底板出现了拉应力，两帮出现了压应力，巷道顶底角出现了最大应力值，集中系数为2.7倍。

图6 围岩压力作用巷道边应力分布

表4 支护阻力作用下巷道边不同位置处应力值计算表

表5 加载支护阻力巷道周边应力分布数值计算表

经过分析和计算给巷道水平方向施加54 kN/m、顶板60 kN/m，满足当前的巷道支护要求。巷帮中部位置至顶板区域应力值减小，当到达顶板位置时出现剧变。巷帮位置向顶板中部位置应力值逐渐增大。加载支护阻力后的围岩应力值明显低于未加载支护阻力的应力值，巷道顶底角位置处仍有较高的应力。因此，首先发生在顶底角位置的破坏基本都会导致矩形巷道围岩的破坏。

从图7可知，支护阻力对巷道周围的应力分布产生了影响，显著地减小了角位置处的应力集中。因此为了有效地改善巷道的围岩应力分布，减小冒顶概率，提高生产安全性，则必须在巷道开挖后进行及时支护，且要有合理的支护阻力。

图7 支护阻力作用下巷道边应力分布

图8 围岩压力和支护阻力双重作用下巷道周边应力值分布

经过试验分析，研究了矩形巷道围岩应力问题，主要得出以下结论：

(1) 巷道周围的应力分布与矩形巷道断面的尺寸有很大的关系，其应力值与测压系数呈线性关系，与高宽比呈幂函数关系。

(2) 无论是否将巷道的支护阻力考虑其中，矩形巷道围岩的应力分布形态如下：四个角位置处的应力集中大，而四边的应力值则较稳定。

(3) 矩形巷道四角处应力集中，常发生剪切破坏，应加强支护。

3 数值模拟

本文对不同支护方式下的围岩位移、应力分布和围岩塑性区的大小采用FLAC3D进行了数值模拟，研究不同支护阻力条件下的巷道围岩的控制。

3.1 模型构建

根据典型的地质柱状图来建立模型，如图9所示，建立的模型断面尺寸为：24.0×20.0×33.6 m(宽高厚)，共计71680块，77805节点。巷道尺寸为：4×3.6 m，巷道周围划分较细的网格的每格代表0.2 m。

图9 模型及断面图

3.2 岩体参数、边界条件和强度准则

岩体的物理力学参数通过实验室的测算得到。模拟巷道深度约为800 m，施加在模型上边界约20 MPa的应力主要是由模型上部岩体自重产生的垂直应力。水平边界限制沿x方向的位移和初速度，底边为限制x、 y、 z方向上的位移和初始速度的固定约束；

模型采用基于弹塑性力学理论的摩尔-库伦强度准则进行模拟。

3.3 数值模拟结果分析

(1) 侧压系数0.5

图10为支护强度0～0.6 Mpa，侧压系数0.5时巷道围岩应力分布。

图10 侧压系数为0.5时不同支护强度下巷道围岩应力分布图

(2) 侧压系数1

图11为支护强度0～0.6 Mpa，侧压系数1.0时巷道围岩应力分布。

图11 侧压系数为1.0时不同支护强度下巷道围岩应力分布图

(3) 侧压系数1.5

图12为支护强度0～0.6 Mpa，侧压系数1.5时巷道围岩应力分布。

图12 侧压系数为1.5时不同支护强度下巷道围岩应力分布图

(4)侧压系数2

图13为支护强度0～0.6 Mpa，侧压系数2.0时巷道围岩应力分布。

图13 侧压系数为2.0时不同支护强度下巷道围岩应力分布图

根据复变函数理论，建立了矩形巷道围岩在有支护情况下的力学模型，研究了支护阻力对矩形巷道围岩应力的影响，并利用FLAC3D进行数值模拟，研究了在不同侧压系数、不同支护阻力的情况下矩形巷道围岩的变形和应力分布规律。得出以下结论：

(1) 矩形巷道围岩应力分布与测压系数之间呈线性关系，与高宽比之间呈幂函数关系。无论是否将巷道的支护阻力考虑其中，巷道的顶底角应力集中现象较其他部位更为突出，巷道开挖后在顶底角处加强支护，并可设法将应力转向巷道内部、巷道断面或支护形式。

(2) 侧压系数、支护强度直接影响着巷道围岩的破坏深度，在支护强度不同时，其变形量与支护强度呈负指数关系，巷道围岩移近量随支护强度增大而减小；当在支护强度不低于0.3 MPa的情况下，巷道围岩的变形破坏能达到巷道使用要求。

4 工业性试验

4.1 支护参数设计

4.1.1 支护原则

对于高应力破碎围岩巷道，一次支护往往很难达到支护目的，一次支护时采用锚网喷的联合支护方式(如有必要增加锚索、注浆)。使巷道围岩达到力学平衡从而控制其变形速度，使围岩的变形能得到最大程度的释放，从而最大限度地发挥其自身的承载能力；由于一次支护往往很难达到支护目的，需要二次高强度支护，二次支护限制巷道围岩应力向岩体长期强度和巷道围岩流变状态转化，避免围岩状态恶化和承载力降低。

4.1.2 一次支护参数

在一次支护设计中，针对邢东煤矿特殊的地质情况，提出了相应的支护参数：支护方式采用锚网(索)、钢梯、W形钢带、槽钢梁联合支护，顶板和帮部锚杆规格Φ20×2400 mm，顶板间距为800×800 mm，帮部间距700×800 mm，顶板锚杆采用4160 mm钢筋梯，帮部锚杆采用W型钢带；锚索规格Φ17.8×8250 mm，间排距为1600×1600 mm。

4.1.3 二次支护参数

巷道二次支护由于强度高、刚度大，围岩不会发生大的变形，并在一定程度上阻止了围岩的蠕变，达到安全生产的目的。通过比较分析不同材料下相同结构支架的承载能力，选取合理材料，并根据邢东煤矿的特殊地质情况，研究不同的结构的支架的承载能力，选取合适的支架结构和支护体系。

4.2 施工工艺

4.2.1 一次支护施工工艺

(1) 安装锚杆

根据设计的参数，在巷道特定地方进行钻孔。先装进K2335树脂锚固剂1支，接着装MSZ2360树脂锚固剂1支。安装锚杆时用锚杆钻机将锚杆旋入树脂锚固剂，并至少搅拌35 s，直到锚杆固定后才能将卸下锚杆钻机。再使用钻机将螺帽旋紧，并在12分钟后再次旋紧螺帽，将预紧力施加在锚杆上，使锚杆锚固力满足设计的要求。

(2) 安装锚索

在锚索端部位置套上专用驱动头、拧上导向管。用钢绞线把树脂锚固剂送入钻孔孔底。用锚杆机进行搅拌。树脂锚固1小时后进行张拉千顶紧上托盘工作，上好锚索托梁。

4.2.2 二次支护施工工艺

首先对巷道进行修理，直至达到设计断面后打上Φ22×3000 mm、间排距700×800 mm、S2360和Z2360各1卷树脂锚固剂的左螺纹钢高强锚杆，采用φ14 mm的钢筋梁、φ6冷拔丝金属网。采用Φ21.8×8500 mm的钢绞线锚索对顶板进行加固，采用17.8×4500 mm的钢绞线锚索加强支护帮部围岩，采用1卷S2360、2卷Z2360(共3卷)的树脂锚固剂进行锚固，间排距为2000×500 mm。采用工字钢环形支架联合支护修理后的巷道，试验巷道工字钢支架布置及支护效果见图14～16。

图14 试验巷道支护断面图

图15 试验巷道工钢支架布置图

图16 支护效果图

4.3 效果监测

采用数显锚索及锚杆测力计测如图17所示，实时监测锚索及锚杆受力情况，并对锚杆和锚索施工质量作出评价。

图17 锚杆锚索测力计

由图18可知，帮部锚索支护初始阻力5.4 t，随着巷道变形锚索延伸支护阻力增加到8.8 t后趋于稳定；帮部锚杆支护初始阻力4.3 t，随巷道变形稳定在2.9 t。由图19可知，发顶板锚杆支护阻力在4天左右明显降低，短时间内支护阻力起到支护效果，要保证锚杆支护效果，需增加锚杆预紧力。通过锚杆锚索受力监测，监测数据显示该实验巷道的地质条件采用高应力破碎围岩巷道控制技术，并能达到满足生产要求的效果。

图18 第一监测站上帮锚杆锚索工作阻力图

图19 第二监测站顶板锚杆锚索工作阻力图

5 结论

(1) 通过改善围岩体自身力学性能和提高二次支护加载强度的方法，都能起到控制高应力破碎围岩巷道剧烈变形的效果，但提高二次加载支护强度的方法对围岩的控制效果要明显好于改善围岩本身的力学性能。所以在改善围岩本身的力学性能的同时，大幅增强二次支护强度，围岩的变形破坏可通过高阻力系统控制。

(2) 通过对矩形巷道的应力分布进行分析，得出了其与侧压系数呈线性关系，与高宽比呈幂函数关系，巷道的顶底角应力集中现象较其他部位更为突出，巷道开挖后及时加载支护阻力可以增强矩形巷道顶底角处的支护强度。

(3) 采用数值模拟方法，揭示出不同支护强度下巷道围岩变形的变化规律，随支护强度增大巷道围岩移近量减小而呈负指数函数关系，当在支护强度不低于0.3 MPa的情况下，巷道围岩的变形破坏能达到巷道使用要求。

(4) 通过锚杆锚索受力监测，监测数据显示该实验巷道的地质条件采用锚杆索主动支护和新型工钢棚被动联合支护形式，满足矿井安全生产的要求。