考虑非等压条件的巷道围岩变形影响因素敏感性分析

李吉旺

（大同煤矿集团有限责任公司四台矿，山西 大同 037001）

对于巷道掘进过程中围岩破坏与稳定性的研究一直是采矿工程领域学者与科技工作者研究的热点话题，深入探究该问题对保证矿井安全、高效生产具有重要意义[1-5]。本文以大同煤矿80327 工作面运输巷为工程背景，巷道在掘进过程中，巷道断面收敛严重，矿压显现剧烈。经现场钻孔窥视图显示，巷道围岩变形呈现明显的非均匀大变形特征，巷道两帮帮角处塑性破坏深度达到最大。

1 工程概况

大同煤矿四台矿井位于大同煤田北部边缘，距大同市区约30 km，其地理位置为：东经112°58′47″～113°05′50″，北 纬40°02′49″～40°05′52″。井田构造中等，80327 工作面运输巷标高-988～-1040 m，开采煤层为8 煤，煤层厚度4.37～6.4 m，平均厚5.74 m。煤岩层钻孔柱状图如图1。

图 1 煤岩层钻孔柱状图

2 正交实验结果及评价指标

2.1 正交实验设计

为了对非均质条件下顶板硬岩对巷道围岩蝶形破坏影响全面分析，采用数值模拟与正交实验进行了研究。在实际工程中，巷道顶板上覆岩层呈层状分布，为了简化条件，通过变换围岩岩性强度来探索层状围岩下蝶形破坏规律。硬岩参数：参考泥岩参数（C=9 MPa，Φ=35°，RC=40 MPa），见表1所示。选取L16（34）三因素四水平的正交模拟方法，确定16 次数值模拟。实验因素见表2。

表1 巷道岩层及煤的物理力学参数

表2 三因素四水平的实验因素表

确定16 次数值模拟模型，其中模型中各岩层力学参数为固定值，只改变围压比、巷道断面形状及顶板硬岩厚度，其他条件相同，对模型同一位置做切片处理。根据塑性区切片、垂直及水平方向上的位移切片分别统计巷道在不同因素影响下的顶板上方塑性区面积、顶板位移量及两帮位移量的具体数值，其统计结果见表3。

表3 正交实验结果

2.2 正交实验评价指标

选择巷道顶板位移量、两帮位移量及顶板上方塑性区面积的大小来判断各个因素对巷道围岩的影响程度，顶板位移量、两帮位移量及顶板上方塑性区面积越大，表示对巷道的破坏影响越严重。极差分析表见表4。

表4 极差分析表

以“塑性区体积直观分析”中的K1行中数据“7.125”为例，所代表的含义为当围压比为2.5 时，所有实验方案中顶板塑性区面积相加求均值如式（1）所示：

极差计算方法为同一列中平均值的最大值减去最小值，同样以“塑性区体积直观分析”中的极差“5.875”为例，其代表含义为：分别求出围压比为2.5、2.6、2.7、2.8 时，所有实验方案中顶板塑性区面积各自平均值，其中平均值的最大值减去平均值的最小值即为极差如式（2）所示：

极差（5.875）=K4（13）-K1（7.125） （2）

极差值越大，表明所在的列是最主要的影响因素。

通过对表3、表4 分析可得，若只考虑塑性区面积这一实验指标，则实验方案4 的组合最好；若只考虑顶板下沉量这一实验指标，则实验方案16的组合最好；若只考虑两帮位移量这一实验指标，则实验方案1 的组合最好。对于巷道顶板塑性区面积敏感性因素而言，顶板硬岩厚度＞巷道断面形状＞围压比，与巷道顶板位移量敏感性因素相同。对于巷道两帮位移量的敏感性因素而言，围压比＞巷道断面形状＞顶板硬岩厚度，与顶板塑性区、顶板位移量的敏感性因素相反。如图2。

图2 极差对比示意图

3 正交实验塑性区面积变化规律

为了更好地解释地下井巷顶板硬岩对巷道围岩蝶形破坏的影响规律，选择正交实验表（表3）中顶板塑性区面积作为研究背景。通过FLAC3D数值模拟，所得到的不同巷道断面塑性区示意图如图3。

图 3 巷道围岩塑性区分布示意图

由图3 可知，随着围压比的增大，不同断面巷道塑性区呈蝶形分布越来越明显，向深部延伸速率与围压比呈正相关；不同断面巷道顶板硬岩厚度越大，顶板塑性破坏面积越小；不同巷道断面形状对围岩的蝶形破坏具有相似性 。从塑性区破坏结果看，巷道主要受剪切破坏，且剪切破坏占主导作用。

4 工程实践

80327 工作面运输巷道高×宽=4.3 m×4.5 m，在巷道顶板上覆岩层经钻孔窥视仪推进到2.5 m时，孔壁相对完整。通过对巷道两帮帮角处窥视，钻孔窥视仪推进到7 m 时，岩层裂隙发育丰富，但孔型较为完整。巷道塑性区示意图如图4。

图4 巷道塑性区示意图

针对上述探测结果，该矿运输巷采用“注浆+锚索+锚杆”联合支护方案。顶板支护：锚杆每排4 棵，锚杆规格为Φ20 mm×2500 mm 高强预应力螺纹锚杆，使用高强度阻尼螺母、塑料减摩垫圈、承载让压钢垫圈及锚杆托盘（100 mm×100 mm×12 mm），间排距为900 mm×1000 mm。巷道帮角采用锚索支护，规格为Φ17.8 mm×8500 mm 十九芯锚索，间距为1500 mm。帮部支护：帮部使用Φ17.8 mm×4500 mm高强预应力螺纹锚索，使用高强度阻尼螺母、塑料减摩垫圈，帮部锚杆间排距为1000 mm×1000 mm，锚杆施加预紧力为80 kN，锚索施加预紧力为150 kN。巷道支护示意图如图5。

图 5 巷道支护示意图（mm）

由图4 可知，巷道围岩塑性区分布形态与现场钻孔窥视图显示特征高度一致，在非等压条件下，巷道顶板塑性破坏被硬岩层阻隔因此造成塑性破坏的面积较小，而两帮帮角处塑性破坏区逐渐增大，并向深部延伸，说明实际围岩的层状赋存对蝶形破坏造成不同程度的阻隔。采用该支护方案后，经现场监测及数值模拟后得到如图6 巷道围岩位移量。

由图6 可知，根据位移计监测结果，巷道位移量在50 d 后基本趋于稳定，顶板、底板、左帮及右帮位移量分别达到55 mm、31 mm、65 mm、58 mm。根据数值模拟结果，巷道位移量在55 d 后基本趋于稳定，巷道总体变形量较小，表明当前支护形式和支护参数与注浆联合应用实现了对巷道围岩的有效控制。

图6 巷道位移量示意图

5 结论

（1）对于巷道顶板塑性区面积敏感性因素而言，顶板硬岩厚度＞巷道断面形状＞围压比，与巷道顶板位移量敏感性因素相同。对于巷道两帮位移量的敏感性因素而言，围压比＞巷道断面形状＞顶板硬岩厚度。

（2）根据位移计监测结果，巷道位移量在50 d 后基本趋于稳定，顶板、底板、左帮及右帮位移量分别达到55 mm、31 mm、65 mm、58 mm，巷道总体变形量较小，表明当前支护形式实现了对巷道围岩的有效控制。