黄德光 刘志鑫 刘 东

（山东能源枣矿集团滨湖煤矿，山东 枣庄 277000）

巷道支护应充分考虑围岩的自承能力，保持巷道围岩稳定有两个方法：一是加强支护法，即采用密支护、强支护的手段加固巷道围岩，提高巷道围岩的承载能力[1-2]；二是应力控制法，即控制巷道围岩应力的分布状态，减小围岩中应力集中现象和拉应力范围[3-4]。由于深部岩体受三向应力挤压强度较高，通过卸压弱化围岩应力，增加浅部围岩膨胀变形空间，促进应力转移至围岩深部，在巷道应力增高区内形成自承岩环，在此前提下卸压区内的岩体只需发挥自身承载能力，即可保持围岩稳定。

1 工程概况

枣矿集团滨湖煤矿位于山东省滕州市，开采深度-400～ -1500 m标高，设计开采12下和16煤层。16煤层位于太原组下部，底板标高-375.88～-1 007.89 m，平均1.35 m，平均倾角7°，属于薄及中厚煤层，平均埋深接近800 m，已经进入煤炭深部开采的范畴。16#煤层直接顶板为灰岩，含0.05～0.30 m的泥岩伪顶，基本顶为泥岩；煤层底板直接底以泥岩为主，砂质泥岩次之，基本底为细砂岩。

16116回风上山主要支护方式为锚索网喷壁后注浆联合支护，巷道设计断面直墙半圆拱形，毛断面宽×高为6.35 m×5.20 m。原支护方案如图1。

图1 原支护方案

由于巷道埋深较大，围岩应力场复杂，采用原有支护方案导致巷道围岩塑性区范围大，顶板下沉量和两帮移近量较大，特别是巷道底板无支护，底板处于长期挤压流动状态，导致底板破坏深度较大，巷道底鼓量急剧增加，巷道断面收敛变形大，原支护方案不能有效控制巷道围岩变形。

2 优化支护方案

2.1 卸压与支护协同方案

根据16116回风上山巷道围岩岩性及围岩变形破坏规律，提出“喷砼+锚杆+钢丝绳网+注浆＋卸压槽”联合支护方案，四层次喷层+三层次锚杆+三层钢丝绳网+壁后注浆+底板两个卸压槽。其中，四层次喷砼厚度为：80 mm、100 mm、100 mm、70 mm。采用Φ22 mm×2400 mm左旋无纵筋高强度树脂锚杆，锚杆间排距为700 mm×700 mm；三层次钢丝绳网，沿巷道环向和轴向呈十字交叉布置；底板卸压槽尺寸为：宽×高=1200 mm×2000 mm，后期利用喷射砼将卸压槽充填；壁后采用Φ20 mm×1800 mm注浆锚杆。优化支护方案如图2。

图2 优化支护方案

2.2 底板卸压和支护原理

（1）以多层次强韧砼喷层构建一个整体性强的支护结构，为围岩提供较高的初承力。

（2）以多层次锚杆为核心构建均质同性的锚固承载圈，使巷道浅部围岩由二向压张受力转变成三向挤压受力。

（3）以多层次钢丝绳网作为混凝土喷层的柔性径骨将支护结构拼接成一个整体，实现了围岩承载结构的均匀受力。

（4）以注浆胶结围岩，提高巷道浅部围岩力学性能，促使各支护单元功能融合契合。

3 底板卸压机理数值模拟研究

3.1 UDEC模拟软件介绍

UDEC（Universal Distinct Element Code）是以拉格朗日算法为基础，处理不连续介质受力响应的二维离散元程序。UDEC能够模拟岩体等非连续介质在静载或动载作用下的响应，能够较好地模拟岩体介质的变形和大位移特征，同时可以使用结构单元模拟巷道围岩锚固支护和砼喷层。

3.2 构建力学模型

16116回风上山巷道的数值计算模型分8层（图3），长100 m，高66 m，总体上长度×高度不大于2.5 m×1.1 m。模型中块体单元总共有16 352块体，节点数为36 297个。围岩力学参数见表1、表2。

图3 数值计算的力学模型

表1 巷道围岩岩体力学参数

表2 巷道围岩节理力学参数

3.3 底板卸压前后变化情况

在数值模拟过程以高强度柔性喷砼替代钢丝绳网，厚度5 mm。卸压前后底板应力场分布规律云图如图4。

图4 卸压前后巷道围岩应力云图

开挖卸压槽增加底板围岩变形空间，导致卸压后底板塑性区范围扩大，卸压后底板垂直应力集中现象减弱，围岩低应力范围扩大，高应力区范围缩小，转移至围岩深部；卸压槽增加巷道底板自由面宽度，导致围岩中裂隙不断向深部扩展，塑性破坏区增加。

4 卸压槽合理尺寸的数值模拟研究

4.1 卸压槽数值模拟

模拟深井巷道底板卸压槽参数主要考虑两个因素：卸压槽宽度和深度。宽度选择800 mm、1200 mm、1600 mm，深度选择1000 mm、1500 mm、2000 mm。通过卸压槽宽度和深度两个因素三个水平的正交试验，确定9种卸压方案（表3）。

表3 卸压方案数值模拟正交试验表

4.2 确定卸压槽深度

分别对三个不同深度的方案应力和塑性区进行分析，进而选出合理的卸压槽深度。待确定合理深度之后，再固定卸压槽深度进行分析，最终确定合理卸压槽尺寸。

从应力角度来讲卸压槽深度越大，围岩高应力区域向深部转移的距离越远，浅部围岩应力越小，越有利于底板卸压。从围岩塑性区角度来讲，卸压槽深度增加，围岩塑性区范围扩大进而扩大底板卸压范围。因此，底板卸压槽深度选择2000 mm。

4.3 确定卸压槽宽度

已经确定了卸压槽的合理深度2000 mm，测试卸压方案3、卸压方案6和卸压方案9。卸压槽参数见表4。

表4 卸压方案

根据数值模拟运算的结果，得出卸压方案巷道围岩应力场分布规律云图（图5）。

从巷道表面位移来讲，卸压槽深度固定，宽度的增加导致巷道表面位移增加，塑性区范围扩大，但卸压槽宽度不断增大，将导致巷道围岩塑性区范围过大（卸压方案9相对于卸压方案3和卸压方案6顶板塑性区范围分别增大2.76 m、2.01 m，帮部塑性区范围分别增大1.09 m、0.60 m，底板塑性区范围分别增大4.05 m、2.77 m，造成巷道表面位移量过大）。因此，确定巷道底板卸压槽的合理尺寸为：宽×高=1200 mm×2000 mm。

图5 第四组卸压方案巷道围岩应力分布规律

5 结论

（1）加强巷帮和顶板支护强度，确定回风上山新的支护方案为“喷砼+锚杆+钢丝绳网+卸压槽+注浆”联合支护方案。

（2）开挖卸压槽使底板浅部围岩应力降低，有效降低浅部围岩应力水平，促使高应力转移至围岩深部，从而实现底板卸压。

（3）卸压槽宽度增加，导致巷道表面位移和塑性区范围增加，一定范围内宽度越大围岩卸压作用越明显，但增大宽度将造成底板塑性区范围急剧增加。因此，选择卸压槽宽度为1200 mm。