软岩穿层巷道非对称变形稳定性控制技术研究

刘耀辉

（山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿，山西 长治 046200）

0 引言

煤炭在国家能源排名中仍然占据主导地位[1-2]。随着中国经济的快速发展，对能源的需求与日俱增[3-4]。随着开采深度的不断增加，五阳煤矿面临的开采困难日益增加，软岩巷道掘进是目前急需要解决的一个重大难题[5-6]。软岩巷道掘进面临着顶板支护困难，巷道底板泥化严重等一系列严重问题[7]。虽然有的矿井采取了一些解决手段，但由于我国的矿井自然条件不同，导致面临的软岩问题也各不相同[8]。76.2 号区段2 号总回风巷作为五阳煤矿的一个工作面，掘进期间遇到穿过泥岩、砂质泥岩、细粒石英砂岩等多种岩层的情况，掘进难度增加，掘进效率直接影响着正常采掘持续，如何采取合理、有效的掘进方法尤为重要[9-10]。

1 概况

山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿位于山西省襄垣县境内，是一座大型矿井，地理坐标为：东经112°58′25″～113°05′09″，北纬36°26′46″～36°33′47″。矿井开采对象主要为山西组中下部3 号煤层，煤层赋存稳定，煤岩类型以亮煤为主，暗煤次之，煤质为贫廋煤。

煤层伪顶为炭质泥岩，厚度约0.2～0.3 m，平均0.25 m；直接顶为泥岩及砂质泥岩，厚度2.04～4.15 m，平均2.96 m；老顶为砂质泥岩及细粒石英砂岩，厚度5.43～10.25 m，平均7.51 m；直接底为砂质泥岩和泥岩，厚度2.75～5.4 m，平均3.84 m；老底为细粒长石英砂岩，厚度4.12～9.54 m，平均6.52 m。

2 模拟过程及结果分析

2.1 模型建立

岩石力学参数是影响巷道稳定的重要因素，根据五阳煤矿地质报告及相关岩石力学实验结果进行折减得到相应岩体的力学参数，岩体力学参数见表1。

表1 折减后岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock mass after reduction

76.2 号区段2 号总回风巷沿巷煤层倾角-7°～+7°，平均-4°，因此确定数值模拟计算的模型范围长×宽×高=50 m×10 m×36 m，共50 050个节点，44 400 个单元。其数值模拟模型示意如图1所示。

图1 矩形巷道数值模拟模型示意Fig.1 Numerical simulation model of rectangular tunnel

2.2 数值模拟结果分析

根据五阳煤矿76.2 号区段2 号总回风巷围岩的地质结构和岩石力学参数，通过FLAC3D 等数值模拟软件建立数值模拟模型，模拟深井复杂地质条件软岩穿层巷道在不同影响因素下的变形特征、应力与应力场的分布特征，如图2～图4所示。

图2 以泥岩及砂质泥岩为主的穿层巷道位移特征Fig.2 Displacement characteristics of cross-layer roadway dominated by mudstone and sandy mudstone

图3 以砂质泥岩及细粒石英砂岩为主的穿层巷道位移特征Fig.3 Displacement characteristics of cross-layer roadway dominated by sandy mudstone and fine-grained quartz sandstone

图4 以砂质泥岩及细粒石英砂岩为主的穿层巷道应力特征Fig.4 Stress characteristics of cross-layer roadway dominated by sandy mudstone and fine-grained quartz sandstone

当将巷道布置在较软或较硬的岩层中时，巷道所在岩层岩性对巷道变形量及非对称变形影响较大。在以泥岩及砂质泥岩为主的穿层巷道中靠近泥岩侧巷道顶板位移量较大，巷道整体向右偏移；在以砂质泥岩及细粒石英砂岩为主的穿层巷道中巷道顶底板围岩变形量没有以泥岩及砂质泥岩为主的穿层巷道围岩变形大，说明当岩层岩性相差较大时，巷道顶底板位移量在靠近较软岩层时位移量较大。

在巷道两侧也出现了应力集中区，其中在以泥岩和砂质泥岩为主的穿层巷道中巷道右帮应力较左帮较大，在较高的支承压力作用下发生破坏，失去承载能力，使得应力峰值向深部转移，同时自身破碎卸压，释放了围岩应力，使得围岩中应力集中程度降低。

通过上述对比分析可知巷道所在岩层岩性对巷道的非对称分布起主导作用，且软岩巷道因难以承受高应力而发生破坏，使得应力向内部转移，而当巷道岩层为硬岩时，巷道承受较高的应力集中，围岩完整性较好。

2.3 支护方案设计

根据数值模拟巷道围岩的非对称变形破坏情况提出合适的支护方案和支护参数，确定软岩穿层巷道围岩非对称变形的加固控制方案。

顶板支护：在顶板采用杆体为22 号左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号为500 号，长度2.4 m，杆尾螺纹为M24。采用树脂加长锚固，锚固长度1 208 mm，锚固力2 00 kN。锚杆排距1.0 m，每排6 根锚杆，间距0.95 m。采用φ18.9 mm，1×7 股高强度低松弛预应力钢绞线，长度6.3 m，采用树脂加长锚固，锚固长度为1 921 mm。

2.4 支护效果分析

通过FLAC3D 数值模拟软件对五阳煤矿76.2号区段2 号总回风巷围岩的变形进行模拟，从应力分布特征、位移分布特征分析得出：在不同穿层段的巷道均呈现出了不对称变形特征，巷道围岩岩层岩性相差越大，非对称变形量也越大，非对称现象越明显。当采用设计的非对称支护方案后巷道围岩受力情况得到改善，巷道顶底板及两帮位移都会减小，改善了巷道围岩变形破坏情况，巷道围岩的非对称变形得到有效控制。不同条件下对巷道非对称支护的位移云图如图5～图6所示。

图5 非对称支护下以泥岩及砂质泥岩为主穿层巷道位移特征Fig.5 Displacement characteristics of cross-layer roadway dominated by mudstone and sandy mudstone under asymmetric support

图6 非对称支护下以砂质泥岩及细粒石英砂岩为主穿层巷道位移特征Fig.6 Displacement characteristics of cross-layer roadway dominated by sandy mudstone and fine-grained quartz sandstone under asymmetric support

3 工业性试验

3.1 巷道支护参数确定

通过数值模拟、理论分析计算等方法，确定支护方案如图7所示。锚杆形式和规格：杆体为22号左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号为500 号，长度2.4 m，杆尾螺纹为M24。锚固方式：树脂加长锚固，采用2 支锚固剂。锚杆排距1.0 m，每排6 根锚杆，间距0.95 m。

图7 矩形巷道锚杆、锚索布置Fig.7 Arrangement of bolt and anchor in rectangular roadway

3.2 巷道变形监测结果

对各个测点的位移进行监测，汇总4-1 号测站、4-2 号测站、5-1 号测站以及5-2 号测站4 个测站的观测数据所得结果，如图8所示。

图8 测站巷道表面位移Fig.8 Surface displacement of station roadway

自巷道开挖以后导致原岩应力的破坏，其巷道的围岩应力重新分布，巷道断面开始变形。但是在15 d 以后巷道顶底板以及两帮变形量不再发生明显变化，巷道顶底板及两帮的变形速度逐渐趋于稳定，巷道围岩整体不再发生剧烈变化。

4 结论

（1） 根据软岩穿层巷道围岩变形破坏机理及特征以及数值模拟结果，五阳煤矿76.2 号区段2号总回风巷初步拟定了采用强力锚杆+锚索联合支护的形式，对比分析了3 种支护参数下的巷道围岩最大主应力、水平应力、顶底板位移以及两帮位移分布规律，分别确定了拱形巷道和矩形巷道的最优支护方式和支护参数，工作面稳定性显著提升。

（2） 引入深部矿山复杂地质条件下软岩穿层巷道周边围岩稳定性控制技术，解决了围岩控制难、变形不对称的难题，为煤矿在软岩的条件下开采建设提供了经验和重要参考。