深部巷道围岩稳定性控制研究

2020-10-14李杰

煤 2020年10期

李杰

(山西霍宝干河煤矿有限公司，山西洪洞 041600)

近几年煤矿开采的深度逐渐加大，巷道围岩所处的地质环境也随其埋深的加大发生了根本变化，多数巷道表现出非线性大变形特性，围岩大多处于峰后阶段，岩体裂隙发育，承载性能较低。目前国内外专家学者对深部大变形巷道的相关问题进行了很多研究[1-6]。由于矿井地质条件的多变性，使得巷道围岩维护状况难以令人满意，对于深部围岩峰值强度后巷道失稳全过程的巷道围岩-支护相互作用规律的研究不足，深部峰后围岩大变形巷道的稳定性控制需做深入的研究。山西焦煤霍州煤电霍宝干河煤矿2号煤层埋深较大，顶板以泥岩为主，底板为砂质泥岩，井田地质构造比较复杂，以简单开阔的褶皱伴有较密集的大、中型断层为主，巷道围岩呈松散状支护情况不佳。本文以此为工程背景，采用数值模拟与现场监测相结合的方法，对深部峰后巷道围岩的破坏特征及稳定性控制进行研究分析。

1 工程概况

山西焦煤霍州煤电霍宝干河煤矿2号煤层平均厚度3.75 m，平均倾角9°，工作面地面标高+517～+602 m，井下煤层底板标高为+102～+172 m，工作面采用一次采全高走向长壁后退式综合机械化采煤法。

2号煤层回风大巷的断面尺寸为5 m×4 m，全断面采用高预紧力钢绞线锚索与锚网喷组合而成的支护；锚杆采用D18 mm×1 700 mm的左旋螺纹钢，间排距为800 mm×800 mm，预紧力大小为30 kN，球型托盘尺寸为150 mm×150 mm×10 mm；锚索采用D17.8 mm×6 500 mm的1×7股钢绞线，间排距为1 600 mm×1 600 mm，预紧力大小为120 kN；底板浇筑厚度为100 mm的混凝土封层。巷道原支护布置如图1所示。

图1 巷道原支护布置(mm)

在大巷掘进约40 m时，采用CHK(2.7B)矿用钻孔成像仪对巷道围岩进行了窥视。根据窥视结果可知，巷道围岩分区破裂现象十分明显。在浅部0～1.5 m范围内围岩破碎严重，1.5～4.5 m范围岩层内裂隙较为发育，4.5～6 m范围内偶有裂隙且呈不连续状态，6 m之外围岩基本呈完整状态。

巷道围岩发生失稳破裂的主要原因是高地应力的存在，为确定巷道围岩所处的原岩应力属性，采用水压致裂法进行了测试。经测试，回风大巷所处地层地应力处于高位，最大主应力为水平应力，应力方向为NE73～85°，地应力对巷道围岩变形失稳有显著影响，所以有必要采取有效的支护措施控制巷道围岩的变形失稳。

2 优化支护方案

密度大、强度高的锚杆可以将浅部碎裂的岩体挤压形成锚固体，可发挥出类似“组合梁”的承载作用，从而提高浅部围岩的承载能力；同时采用锚索使其悬吊于深部岩层中，在锚索锚固围岩体的范围内，其形成了类似“承载拱”的结构。浅部“梁”和深部“拱”二者相互作用，组成巷道围岩承载的主体结构，确保巷道围岩的稳定性。

深-浅耦合全断面锚喷网注支护技术，可以在巷道围岩中构建刚柔“双壳”封闭式承载体系，各支护形式在时间上以及空间上相结合，使得支护体系和巷道围岩在刚度、强度以及结构上共同发挥作用，同时发挥出巷道围岩的自承载能力，确保巷道围岩的长期稳定性。其中，锚杆支护、分区注浆加固及钢筋喷层护表分别是承载结构的主体和辅助措施。

优化支护技术如图2所示，内层锚杆和外层锚杆交错布置，其间排距分别为：600 mm×600 mm、600 mm×800 mm；总的注浆层厚度和浅部注浆层厚度分别为6.5 m、2.4 m，混凝土的喷层厚度为240 mm，三者之间共同发挥作用，增强巷道围岩的自承载能力，提高巷道围岩的稳定性。

3 数值模拟

3.1 模型建立

根据实验所测得相关地质参数，运用FLAC3D数值模拟软件对两种方案下的巷道围岩稳定性进行对比研究分析。

图2 优化支护技术

所建三维模型尺寸为40 m×30 m×40 m，共划分为65 000个单元，73 280个节点；模型的上表面与左右界面均为应力边界条件，上表面施加大小为16 MPa的载荷，左右边界施加大小为21 MPa的载荷，模型底面和前后两个面设定为固定位移约束。钢带、锚杆、混凝土喷层分别使用Beam、Cable、Shell结构单元。模拟所用各岩层物理力学参数见表1。

表1 各岩层物理力学参数

3.2模拟结果

原支护方案与优化支护方案下巷道围岩的竖向位移分布云图如图3所示。由此可以看出，在原支护方案下，巷道顶板一定范围内出现较大的沉降，最大沉降值约为28 mm，位于巷道顶板的中央位置；在巷道的底板位置发生隆起变形，且有增大的趋势；采用优化支护方案后，巷道顶板最大沉降值仍位于巷道顶板的中央位置，但最大沉降值变为约11 mm，减小了约60.7%，同时巷道底板隆起的位移值以及其影响范围都明显减小，这说明采用优化支护方案可以促进巷道围岩的稳定性。