虎龙沟矿巷道破碎围岩测试及支护设计

郝鹏飞

(晋能控股煤业集团 挖金湾虎龙沟煤业有限公司,山西 大同 037000)

目前国内矿山普遍采用应力解除法、水压致裂法等方法进行地应力测量，也进行过围岩强度原位测量，煤岩体结构测试等工作，但其方法过于繁琐，没有配套便捷的设备[1-7]。很多矿区煤岩体地质力学测试工作不到位，巷道布置与支护设计依据不足，可靠性、安全性差。本文结合虎龙沟矿5号煤层围岩地质条件，对巷道围岩进行测试分析，并对支护设计提供依据。

1 工程概况

虎龙沟矿位于山西省朔州市怀仁县云中镇窑子头村，其81511工作面51511巷位于5号煤层东盘区，平均煤厚10.15 m，煤层走向近东西向(EW)，倾向北(N)，平均倾角4°.采区内地层为宽缓背斜构造，背斜轴位于盘区巷西部，走向为北东向。

2 巷道围岩力学特征

为了解巷道围岩的物理力学特征，为巷道支护设计及应用提供必要的数据基础，通过在虎龙沟矿已掘巷道中布置两个测站来测试井下地应力大小和方向、围岩的基本结构特征、围岩裂隙发育情况以及强度。第一测站位于81511工作面运输巷中，测站处巷道断面呈矩形，锚网支护，测站钻孔开孔处距离巷道底板高3 m.第二测站位于81511工作面轨道巷中，巷道断面矩形，锚网支护，测站钻孔开孔处距离巷道底板高3 m，测站均为全煤巷道，两测站所处位置受构造及采掘影响较小，适合进行原岩应力测量。

2.1 顶板岩层分布及结构观测

窥视结果见图1.

图1 测点围岩钻孔窥视图

第一测站钻孔结构观测：钻孔观测结果显示，顶板以上0～3.3 m为煤，黑色发亮，靠近孔口处煤体较破碎，钻孔深处煤体裂隙较为发育；3.3～11.7 m主要为砂质泥岩，较为致密，完整性相对较好，11.5 m处有两条明显横向裂隙；11.7～11.9 m为夹层煤，11.9～12.7 m为细砂岩，该段岩层裂隙比较发育；12.7～19.0 m为中砂岩，致密坚硬，其中13.2～14.0 m有两处纵向裂隙；19.0～21.0 m为页岩，岩层相互交错，有泥岩夹层，该段孔壁完整。根据观测结果，顶板以上13.5～14.7 m之间岩层为中砂岩，相对较为致密完整，该段适合进行地应力测试。

第二测站钻孔结构观测：钻孔观测结果显示，钻孔内0～3.0 m为煤，黑色发亮，开孔处煤体破碎严重，深部煤层孔壁较为完整；3.0～14.9 m为砂质泥岩，在7.1 m和7.5 m为裂隙，9.8～10.2 m中间有3处小的劈裂状裂隙，而且11.0 m和14.1 m有少量的泥岩夹层，岩层相对完整；14.9～15.1 m为夹层煤，黑色发亮；15.1～15.5 m之间裂隙发育，15.5～22.2 m之间为中砂岩，岩层呈灰白色，砂质胶结致密坚硬，完整性较好，只有17.9 m和20.5 m处有裂隙。根据观测结果，在顶板以上17.5～18.6 m之间岩层相对较为完整，适合进行地应力测试。

2.2 地应力测试及计算

分别对每个测站的测量段进行压裂，利用SYY-56型水压致裂地应力测量仪测量绘制每个测站的水力压裂时程曲线，再根据曲线通过软件分析得到应力计算所需要的破裂压力、重张压力和瞬时关闭压力。地应力的计算公式[8]如下：

σh=Ps-γwh

(1)

σv=γH

(2)

σH=3Ps-Pr-2γwh

(3)

式中：Pr、Ps为数仪上的重张压力、封闭压力，MPa；γw为水的容重，MN/m3；h为测站到读数仪的垂直距离，m；γ为上覆岩层容重岩石；H为埋深。σh、σH和σv分别为最小水平主应力、最大水平主应力和垂直主应力。

计算得到：虎龙沟煤业两测站最大水平主应力为20.45 MPa、18.18 MPa，最小水平主应力为10.39 MPa、11.44 MPa，垂直应力为13.75 MPa、13.9 MPa.数据说明该区域属中等偏高地应力值区域；应力场类型为σH>σv>σh型应力场，受构造影响较大，水平应力影响大。测站最大水平主应力方向分别为N3.9°E、N29.9°E，初步判断该区域最大水平主应力方向大致为北东东方向。在巷道支护设计中应当考虑应力量值、应力场类型和最大水平主应力方向与巷道轴线方向的夹角等因素。

2.3 围岩强度测试

地应力测试完后，利用WQCZ-56型围岩强度测试装置对测点巷道煤岩体进行原位强度测试，测试结果如图2所示。从图2可知：测站处5号煤煤体比较完整，煤体强度平均值约为10.29 MPa；第一测站顶板煤体强度平均值约为11.61 MPa，第二测站约为12.25 MPa；第一测站钻孔3.3～10.0 m岩层整体上为砂质泥岩，其岩层探针触点强度值明显高于其他值，岩层强度平均值为56.32 MPa；第二测点3.0～10.0 m段岩层强度平均值29.21 MPa.

图2 围岩强度测试

3 小煤柱围岩控制

3.1 巷道围岩矿压显现特征支护设计原理

根据巷道围岩的测试表明巷道顶板岩层具有叠合板的结构特征，帮部煤体破裂，强度弱于顶底板岩层，且两帮与顶底板间层理明显，巷道顶板具有明显的弯曲变形特征。破碎的煤帮易发生片帮、垮帮现象，在顶板岩层对两帮顶角的挤压作用下，其压碎程度加剧，导致更为严重的矿压显现，从而导致两帮对顶板的支撑作用失效，顶板岩层弯曲变形加剧，产生一种恶型循环。

本文研究对象为虎龙沟矿81511工作面51511巷，顶板岩层一经暴露应当立即支护，加固围岩使支护体具有一定的初期刚度，以使顶板岩层处在弹塑性变形阶段避免流变及风化；两帮支护除了要满足顶板的控制要求外，还需具有可缩性，形成柔性支撑。

3.2 巷道支护设计方案

采用Flac3D数值模拟软件对回风巷的支护技术进行研究，根据巷道的围岩变形特征制定了3个支护方案，见表1.

表1 数值模拟方案

从图3云图可知：巷道开挖后，在巷道两帮形成支承压力增高区，三种方案应力集中系数约为1.5，在巷道顶底板形成应力降低区。随着支护强度的增加，支承压力峰值向巷帮转移，顶底板中应力降低区则明显缩小，说明两帮支护提高了两帮围岩的强度，使两帮围岩处于稳定状态。从图中可以看出：采用三种支护方案，巷道顶板下沉量和两帮移近量均在10 mm以下，而无支护条件下顶板下沉量最大为18.8 mm，左、右帮移近量26.9 mm，两帮移近量54 mm.说明通过锚杆支护，加固了围岩，一定程度上减少了围岩位移量。方案二、三较方案一效果更好，但方案三对比方案二效果区别不大，说明支护强度再加大对于巷道控制已经没有意义了，综合经济效益，方案二为最优。

图3 不同支护方案数值模拟结果对比

3.3 巷道支护方案确定

确定采用锚杆+金属网+钢筋梁+锚索联合支护的方式。顶板支护：采用D22 mm的高强左旋螺纹钢筋，长度为2 400 mm；采用树脂加长锚固，锚固长度为1.3 m；顶锚杆预紧力350 N·m，锚固力160 kN；采用D14 mm的圆钢筋焊接而成钢筋托梁，宽度80 mm，长度5 100 mm；托板采用拱型高强度托板盘，规格为150 mm×150 mm×10 mm；用菱形金属网，网孔规格50 mm×50 mm，网片规格4 600 mm×900 mm；间排距800 mm×800 mm，每排7根锚杆，顶角锚杆角度与垂线呈20°，其余垂直顶板。锚索采用D22 mm的低松弛预应力钢绞线，长度为9 000 mm，树脂加长锚固，钻孔直径为30 mm，锚固长度为1.5 m；锚索预紧力150 kN，锚固力250 kN；锚索间排距为2 400 mm×1 600 mm，锚索托板为250 mm×250 mm×20 mm的钢板。

巷帮支护：锚杆为D22 mm高强左旋螺纹钢筋，长度2 400 mm，采用树脂端部锚固锚固长度为1.3 m；杆预紧力300 N·m；锚固力100 kN；采用D16 mm的钢筋焊接而成钢筋托梁，宽度90 mm，长度2 200 mm.托板采用拱型高强度托板盘，规格为150 mm×150 mm×10 mm.采用菱形金属网，网孔规格50 mm×50 mm，网片规格2 400 mm×900 mm；锚杆间排距850 mm×800 mm，每排4根锚杆。巷道支护如图4所示。

图4 巷道支护图(mm)

该支护方案现场应用后，通过对巷道两帮移近量、顶板离层量和底鼓量等进行现场检测，发现巷道围岩变形量较小，加固效果较好。

4 结 语

1) 对地应力、巷道围岩强度测试及顶板岩层结构的观测结果表明：巷道围岩顶板较坚硬，完整性较好；测试区域属于中等偏高应力值区，井下应力场受构造影响较大。裂隙体与破碎体组成的煤帮顶板的弯曲变形下易发生片帮、垮帮现象。

2) 针对巷道围岩的围岩力学特征，制定了3种巷道支护方案，数值模拟显示支护方案二能有效控制围岩变形、减少围岩位移量；现场应用的效果较好。