开采扰动下软岩巷道支护优化及其应用效果研究

2023-08-08赵南南齐升龙刘建群

煤炭与化工 2023年6期

赵南南，齐升龙，闵祺，刘建群

（1.汶上义桥煤矿有限责任公司，山东济宁 272100；2.济宁能源发展集团有限公司，山东济宁 272100；3.济宁矿业集团有限公司安居煤矿，山东济宁 272000；4.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东青岛 266590）

0 引言

随着煤矿开采深度的增加，巷道掘进及工作面采掘活动频繁揭露深部岩体构造，使得巷道围岩稳定性更加难以维护，且围岩变形失稳表现出较为明显的非线性动力特性，尤其对于软岩地质环境中，围岩变形机制及其防控措施将更加复杂，严重制约矿山的安全高效生产。目前，众多学者关于软岩巷道稳定性问题开展了广泛的研究工作[1-5]。仇圣华[6]提出了采用注浆锚杆加固-600 水平软岩回风巷的方法，控制围岩变形；谢荣生等[7]研究分析了“应力恢复、围岩增强等”主动支护与“锚杆支护”等辅助支护间的相互关系；Dong wang 等[8]探讨分析了软岩巷道大变形的本质原因，设计出“恒阻大变形锚杆、底板注浆与钢筋网”等相耦合的支护方案，有效的控制了巷道围岩深部变形；李学彬[9]结合软岩巷道围岩物质组成，提出了锚杆与钢管混凝土耦合支护方案；高振勇等[10]系统分析了软岩巷道原支护参数的不合理性，提出了巷道高强度的稳定性优化支护方案；杨本生等[11]采用非连续“双壳”控制理论，提出了“U 型钢与锚杆锚索注浆”相耦合的控制技术。对于软岩巷道而言，深部岩体地质构造复杂，围岩自身承载能力差，均增加了维护巷道稳定性的难度，往往出现多次修复施工。为此，本文以阳城煤矿3301 工作面开拓软岩大巷为研究对象，采用现场调研、数值模拟与现场验证相结合的方法，探讨分析开采扰动下巷道围岩力学特性及其断层控制区应力演化特征，提出软岩巷道优化支护方案，从而保障巷道的稳定性。

1 概况

阳城煤矿南翼大巷布置于3 号煤层顶板，煤层平均厚度为7.78 m，巷道底板标高-650 m，地面标高为+38.50 m，岩层为走向北东，倾向南东的单斜构造，岩层倾角20°～30°，平均25°，且受断层DF54 的影响。巷道穿越多个软弱岩层，围岩强度低、泥化程度高，地应力方向与巷道的延伸方向近似垂直，且受邻近3301 工作面开采影响，该工作面布置长度为110 m，开采长度为1 200 m，并采用综采放顶煤开采法和全部垮落法管理顶板，平面布置如图1 所示。

图1 南翼大巷与3301 工作面平面布置Fig.1 Layout of South wing roadway and No.3301 Face

3301 工作面回采引起的上覆岩层弯曲下沉、断裂等剧烈运动对南翼大巷围岩的稳定性造成影响，需强化支护强度，以确保巷道稳定性。该区域内煤岩层顶底板岩性特征见表1。

表1 煤层顶底板岩性特征Table 1 Lithology of coal floor and roof

南翼大巷断面形状为直墙半圆拱形，墙高为1.8 m，拱高2.4 m，净宽4.8 m，采用锚网索梁与棚喷联合支护作为永久支护，其中巷道顶部与帮部均采用φ20 mm×2 400 mm 高强预应力锚杆，间排距为800 mm×800 mm，锚索采用φ17.8 mm×6 300 mm 锚索，间排距为1 600 mm×1 600 mm。在3301 工作面回采过程中，监测到南翼大巷的顶底板和巷帮最大位移量分别为477 mm 和343 mm，巷道已经发生了严重变形，制约了矿井的安全高效生产。

2 软岩巷道围岩变形机制探究

2.1 巷道赋存地质环境诱发变形

巷道赋存的地质环境是决定围岩稳定的关键因素，且直接控制着巷道施工及其维护成本。掌握巷道赋存地质环境特征是开展巷道稳定性研究的前提条件，如查明地应力方向及其量级，避开高地应力区域或者巷道延伸方向与地应力方向之间的夹角控制在合理的范围内，尽量消除或减弱地应力对巷道围岩稳定性的影响。

同时，随着煤层开采深度的增加，使得布置巷道深度随之增加，深部煤岩体与浅部煤岩体相比更突出具有漫长的地质历史背景和近现代地质环境特征的复杂地质材料，在该地质环境下，深部巷道变形特征更具复杂性，使得其施工及维护的难度进一步增加。

此外，由南翼大巷赋存岩性特征可知，巷道顶底板岩性几乎均为泥岩，围岩整体承载能力较弱，工作面回采过程中的顶板运动极易诱发巷道围岩中裂隙发育与扩展，将使围岩结构特征进一步劣化，从而诱发巷道发生大变形及支护失效的现象。

2.2 工作面采动应力诱发巷道变形

经综合分析南翼大巷地质条件及其邻近工作面回采实践，巷道围岩所受力主要包括断层构造应力、采动应力及其上覆岩层自重3 个部分，其中断层构造应力和采动应力改变了巷道围岩的应力分布状态，使区域内围岩应力集中程度增加，易诱发围岩薄弱部分发生变形失稳现象。为了便于分析3 种应力叠加对巷道围岩变形的影响，采用FLAC3D 软件建立受断层构造及工作面采动对巷道稳定性影响的数值模型，模型规格长×宽×高=151 m×230 m×100 m，模型上部边界施加覆岩荷载17.5 MPa，其它边界施加固定约束，如图2 所示。

图2 断层构造区工作面采动巷道稳定性数值计算模型Fig.2 Numerical calculation model of mining roadway stability in working face of fault structure area

2.2.1 开采范围内围岩力学特性

依据3301 工作面回采计划，分别选取工作面距断层80、60、40、20 m 数值计算结果，分析工作面推进过程中开采范围内围岩应力分布特征，探讨重新分布的高围岩应力诱发巷道变形规律，如图3～图6 所示。

图3 工作面距断层80 m时围岩垂直应力与垂直位移分布Fig.3 The vertical stress and vertical displacement distribution of surrounding rock with the working face 80 m away from the fault

图4 工作面距断层60 m时围岩垂直应力与垂直位移分布Fig.4 The vertical stress and vertical displacement distribution of surrounding rock with the working face 60 m away from the fault

图5 工作面距断层40 m时围岩垂直应力与垂直位移分布Fig.5 The vertical stress and vertical displacement distribution of surrounding rock with the working face 40 m away from the fault

图6 工作面距断层20 m时围岩垂直应力与垂直位移分布Fig.6 The vertical stress and vertical displacement distribution of surrounding rock with the working face 20 m away from the fault

分析可知，随着工作面不断向断层推进，开采范围内围岩应力显著增加，尤其是采场围岩应力的增加使大巷围岩应力依次增加了1.60 倍、2.23 倍、2.33 倍和2.45 倍。

巷道围岩应力的增加已超过了围岩的极限承载能力，并储存了大量能量。此时巷道支护难以维护巷道原有的空间断面形式，将以围岩大变形的形式释放能量，改变围岩应力的集中状态，从而达到新的平衡状态。

2.2.2 断层构造应力分布特性

选取工作面距断层80、60、40、20 m 时数值计算文件，获得如图7 所示的断层围岩应力分布。

图7 工作面推进时断层围岩应力分布Fig.7 Stress distribution of surrounding rock with working face advancing the fault

随着工作面不断向断层推进，断层围岩应力重新分布集中，应力集中系数分别为1.77、2.37、2.59 和2.75，断层上、下盘出现较大应力差，使断层两侧围岩发生相对滑移的可能性增加，诱发断层控制区大巷围岩发生大变形，危害巷道的稳定性。

3 软岩巷道支护优化方案

综合分析巷道地质条件、支护参数及工作面开采过程中采场围岩应力演化规律，引起软岩巷道发生大变形的主要原因是围岩自身承载能力差、原巷道支护参数设计不合理，难以充分发挥支护设计的锚固作用。同时，复杂的地质条件、工作面开采速度和开采布置顺序、顶板管理方式也会诱发巷道发生大变形。为此，对该大巷围岩支护参数在原支护方案的基础上重新进行设计，见表2。