杨 静

（国家能源集团神东开拓准备中心，陕西 神木 719315）

处于深部构造发育区的回采巷道，岩体自重应力大，岩体内部的弹性能量也较大，巷道开挖引起弹性能量释放，会使巷道发生变形甚至破坏，围岩的一些性能也会受到影响，比如岩体的连续性和完整性发生破坏等，同时还会影响围岩的承载能力，在大结构应力作用下造成巷道变形破坏。深部构造发育区回采巷道还受很多因素的影响，比如水文条件、顶板围岩性质、周围采空区影响等，这些都会使巷道处于支护失效的状态，此时矿山压力显现明显，出现巷道两侧严重变形以及顶板破碎等重大问题[1-5]。

回采巷道的稳定是保证矿井安全生产的基础，深入系统地研究本矿井构造发育区回采巷道的破坏机理和支护方案，提出最优的支护设计，是亟待解决的一大问题[6-7]。此问题的解决意义重大，不仅能实现矿山的高效生产，而且能极大地提高经济效益，同时对国内外相似条件下的回采巷道支护研究也能起到一定的借鉴作用。本论文选择某矿0251工作面为工程背景，重点研究深部构造发育区回采巷道围岩变形特征并提出优化支护设计方案。

1 工程概况

某矿0251工作面标高为-770～-860 m，地表高程为8.3 m，东部无开挖工程，西部无开挖工程，南部为0251的F7断层，北部无采掘工程。0251工作面长度为146 m，平均斜长419 m，工业储量245 919 t，可采储量233 624 t，工作面回采率为95%。0251工作面为南五区5号煤层的首采工作面，工作面内存有倾角较大的倾斜煤层，在采掘过程中，总共暴露出8个断层，包括6个正断层和2条逆断层，落差为0.4～4.8 m。其中在0251-F2、0251-F3、0251-F4、0251-F5、0251-F7掘进期间，造成了巷道少量煤层顶板破碎；0251-F1、0251-F6造成巷道少量煤层底板破碎。0251-F1、0251-F6、0251-F8落差大于1.0 m且小于1.6 m，回采期间会造成回采面一定煤层顶板破碎；0251-F3、0251-F7落差分别为1.4 m、1.2 m，回采期间会造成少量底板破碎；0251-F7正断层落差为4.8 m，在断层的影响下，工作面提前开切眼，但对回采没有影响。

该矿首采工作面位于该矿井的-720 m水平，因为12号煤层埋深较浅，而原岩应力场相对较小，实际的巷道支护方案选取较好，所以支护效果较好，能够满足实际矿上的生产需求。但是，随着煤炭逐步向深部开采，巷道的地质构造越来越复杂，巷道围岩的结构应力和构造应力也在不断增加，从而使巷道支护情况更加困难，出现巷道围岩松软破碎（见下页图1）、支护材料成本加大、底鼓严重、顶板破碎垮落、支护困难甚至冒顶等情况，所采用的加固支护等耗费时间及工作量的措施，对矿山的正常生产和人员安全产生重大影响。针对这种深部条件下巷道出现的巷道围岩破坏严重、支护成本提高、支护密度加大等严重的现场问题，采用合理的加强顶板等巷道等支护方式及支护密度时，在一定程度上可以有效地维护巷道的稳定性，尤其是在巷道周围的岩体构造简单，地质条件良好稳定的条件下。但是当巷道处于深部构造发育区时，某些地区出现了巷道维护跟不上故障速度的情况。

图1 帮部围岩变形情况

2 深部构造发育区巷道围岩塑性破坏特征

距0252工作面超前1 m、5 m、15 m、35 m、55 m、70 m的巷道围岩应力分布如下页图2所示。距工作面超前15 m、35 m、70 m的巷道塑性区分析如下页图3所示。从图2可知，在距工作面1 m处，巷道左侧围岩的最大应力值为20 MPa，右侧围岩的最大应力值为90 MPa，巷道左侧煤柱的最大应力值为96.8 MPa；在距工作面5 m处，巷道左侧围岩的最大应力值为17.5 MPa，巷道右帮围岩最大应力值为85 MPa，巷道左侧煤柱最大应力值为95.9 MPa；在距工作面15 m处，巷道左帮围岩最大应力值为15 MPa，右帮围岩最大应力值为80 MPa，巷道左侧煤柱最大应力值为93.4 MPa；在距工作面35 m处，巷道左帮围岩最大应力值为12.5 MPa，右帮围岩最大应力值为75 MPa，巷道左侧煤柱最大应力值为90.7 MPa；在距工作面55 m处，巷道左帮围岩最大应力值为12.5 MPa，右帮围岩最大应力值为70 MPa，巷道左侧煤柱最大应力值为90.8 MPa；在距工作面70 m处，巷道左帮围岩最大应力值为12.5 MPa，右帮围岩最大应力值为65MPa，巷道左侧煤柱最大应力值为91.3 MPa。

图2 0252工作面超前巷道应力（Pa）云图分析

结合图3中巷道围岩塑性区可以得出：由于巷道受采动、0252工作面二次开采的影响，巷道围岩塑性面积大，施工前方断面围岩破坏较大。随着与工作面距离的增加，巷道的塑性区逐渐减小。巷道两侧围岩是煤，围岩破坏主要集中在巷道帮部，围岩塑性区较初次采动影响显著扩展，围岩应力值增大。通过数值模拟分析，巷道帮部破坏严重，巷道之间保护煤柱破坏严重。

图3 0252工作面超前巷道塑性区分析

3 深部回采巷道围岩控制思路与方法

3.1 控制思路

开采面可以形成具有原始岩石应力3倍的峰值应力的开采叠加应力场，巷道围岩在分布不均的应力场中，形成不规则塑性区，不规则塑性区将造成围岩不均匀的变形。对围岩不均匀破坏和塑性区形态进行研究，可以使巷道围岩得到控制。在巷道围岩产生塑性区后，弹性区的围岩变形会由于岩石破坏而受到限制，使弹塑性界面处的最大主应力减小，最小主应力变大，从而控制巷道围岩变形，减小巷道破坏。塑性区的形成和巷道围岩状态有关，因为工程上支撑体给予的支撑阻力对塑性区的减小很有限，所以巷道围岩控制的关键在于抑制塑性区的恶化及应力改变。采场应力场会影响塑性区的形成和发展，有效控制塑性区最好的办法就是维护破碎岩石的稳定性，因此，通过改善应力场、维护碎石稳定来维护巷道稳定性。为阻止塑性区的恶化，在现有技术条件下，主要采用以下两种方法来控制。

3.1.1 改变围岩应力场

掘进时产生的应力场会对初始应力场造成影响，随着巷道围岩压力和掘进时间的增加，塑性区范围和表位移也有所增大。巷道围岩应力分布不均匀，垂直方向的应力与水平方向的应力之比可达3～5倍。由于应力场是均匀的，巷道不规则塑性区的发展将不利于巷道围岩的控制。综上所述，地下开采活动使得巷道围岩应力再分布，不均匀的应力引起巷道围岩塑性区的形状变化，巷道围岩应力可以有效地减少周围岩石应力的不均匀分布。改变应力状态主要通过改变周围应力来实现，通过一些方法可以改善压力对围岩的影响，如将采矿的位移巷道合理排列在优化处理层，合理选择支柱尺寸等，同时使用多种巷道施工方法，以减少巷道周围的应力降低区。

3.1.2 增大破碎岩石强度

目前，增大破碎岩石强度主要有2种方法。一种是对裂隙岩体进行填充，使碎石形成一体，这样可加大围岩的强度，阻止塑性区扩大；另一种方法是采用合理的支护技术，防止围岩恶性失稳。通过改变应力状态以及在巷道内实施注浆改进，可以确保围岩稳定。但是，此方法造价高、建设周期长、工作量大，且工作面超前、废弃工作对施工人员的生命安全存在一定的威胁，所以这种类型的巷道维护方式不予以采用。因此，对于唐山市矿山巷道，采取锚杆锚索联合支护和注浆加固支护的方法。通过对巷道塑性区分布进行分析，找到了支护锚杆和锚索的合理方法，以防止巷道围岩的恶性膨胀和塑性区的非稳态过渡。

3.2 优化支护应用

0251运输顺槽围岩塑性区分布展现了在受采动影响下，巷道围岩破坏主要发生在顶板上部、侧部。应力集中系数的变化使巷道塑性区有了较大的改善。塑性区的分布规律和最大破坏深度因主应力方向与垂直方向的夹角不同而出现在不同的位置。考虑到岩石应力分布，在进行梯形巷道设计时，使用Φ22 mm×8 300 mm的19股钢绞线锚索，配合长3.6 m的14号槽钢、150 mm×150 mm×10 mm的钢托盘等进行加强支护，间排距为1400mm×1600mm。

在左帮距顶板0.8 m和2 m处分别打设两排Φ22mm×8300mm的19股钢绞线锚索，配合150mm×150 mm×10 mm钢托盘和Φ14 mm的钢筋梁进行支护，间距为1 600 mm；在右帮距顶板0.5 m、2 m和3.5 m处分别打设三排Φ22 mm×8 300 mm的19股钢绞线锚索。巷道支护设计参数如下图4所示。

图4 巷道设计支护参数示意图

将上述梯形巷道支护参数应用于相邻的0251工作面与0252工作面回风200～300 m之间，通过现场锚力试验和巷道围岩试验，验证了选定巷道支护参数的合理性。从图5中可以看出，巷道顶部和底板的最大变形为55 mm，两个支座的最大变形为49 mm。从开始到第12天，巷道变形速度增大，底板变形量为41 mm，两帮变形量达35 mm。通过监测，巷道变形小，巷道内的锚杆没有断裂。结果表明，巷道断面的选择合理，支护参数可行，所设计和支护方案能很好地阻止巷道围岩的变形。

图5 巷道围岩变形监测数据

4 结论

1）回采寿命短、短期快速报废的巷道，主要采用锚杆（索）、锚网进行支护为主，以注浆支护和支架支护为辅的综合支护方案。通过塑性区的分布制定有效的支护方案，从而控制巷道围岩的恶性膨胀，保证巷道的稳定性。

2）支护方案的制定以及支护参数的选取需要根据塑性区分布来判定，从而可避开破碎岩石突然失去稳定性所造成的应力改变，降低巷道发生冒顶的风险。通过去现场观测巷道的破坏情况，对巷道的再次支护方案进行研究，得到了良好的效果。