半煤岩巷道围岩变形破坏分析及支护技术研究＊

张 勇 张江利 张西斌 刘珂铭 许力峰 李艳君 杨维帅

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

半煤岩巷道围岩变形破坏分析及支护技术研究＊

张 勇 张江利 张西斌 刘珂铭 许力峰 李艳君 杨维帅

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

曙光矿专用行人巷为半煤岩巷道，巷道变形破坏严重。利用霍克－布朗（Hoek－Brown）强度准则计算了专用行人巷的松动圈范围，并对巷道围岩破坏进行了岩层影像探测研究，基于松动圈支护理论提出了相应的支护措施，并对支护效果进行了现场观测，取得了良好应用效果。

半煤岩巷 霍克－布朗准则 松动圈 钻孔探测 巷道支护

1 工程概况

曙光煤矿专用行人巷布置在3＃煤层中，沿3＃煤层底板掘进，为半煤岩巷道，巷道围岩均为实体，延伸段埋藏深度为380～760m。3＃煤层走向南北方向，煤层倾角为2～10°，煤层平均厚度为1.07m，煤层岩性柱状图见图1。

图1 煤层岩性柱状图

专用行人巷掘巷宽3.8m，净宽3.6m，帮高1.5m，半圆拱半径为1.9m，净半径1.8m。采用锚、网、索、喷联合支护。锚杆呈矩型布置，间排距为900mm×900mm，顶锚杆使用ø20mm×2200mm的左旋螺纹钢锚杆，帮锚杆使用ø16mm×1 8 0 0mm的A 3钢锚杆，顶锚杆扭矩力不小于120N·m，帮锚杆扭矩力不小于90N·m。锚杆全部使用400mm×280mm的“W”钢带沿巷道方向连接。锚索采用ø17.8mm×6500mm的钢绞线锚索及配套锚具，间排距为1200mm×1800 mm，每排5根。钢筋网的规格为2150mm×1000 mm，网格大小为150mm×160mm，用ø6.5mm的钢筋加工而成，混凝土喷层厚度100mm。在矿井生产过程中发现，现有的支护方案下，巷道两帮收缩严重，底臌量大，巷拱角岩层与煤线处发生错动，岩层向巷道内突出，出现台阶式变形，严重影响了矿井的正常生产运输。

2 巷道变形研究分析

2.1 巷道塑性区范围分析

对于巷道围岩塑性区的理论分析主要集中于均质体中的圆形巷道，将巷道进行简化求出近似解，有利于研究巷道的变形机理。因此假设巷道为圆形巷道，且巷道周围岩体为连续弹性体，开挖岩体的水平应力和垂直应力相等，巷道处于双向等压的应力场中，在无限长的巷道里围岩性质一致。根据霍克－布朗（Hoek－Brown）围岩经验强度准则可以推导出围岩塑性区半径R的计算式：

式中：r0——巷道半径，m；

P0——原岩应力，MPa；

σc——岩体单轴抗压强度，MPa。

m、s、mr和sr——岩体的经验参数，m和mr分别反映弹性区和塑性区岩石的软硬程度，其取值范围在0.0000001～25之间，对于严重扰动岩体取0.0000001，对于完整的坚硬岩体取25；s和sr分别反映弹性区和塑性区岩体破碎程度，其取值范围在0～1之间，对于破碎岩体取0，完整岩体取1。

式（1）所求R为围岩塑性区半径，所以巷道围岩塑性区厚度即松动圈厚度为LP＝R－r0。根据专用行人巷的埋藏深度及地质情况，计算采用深度为H＝600m时的垂直应力，所以原岩应力P0＝γH，γ取值为25kN／m3，计算得P0值为15MPa。巷道半径r0＝1.9m，单轴抗压强度σc取值为21.5MPa，根据围岩实际破坏情况，查岩体质量与参数m、s的关系表，m＝3.43，s＝0.082，mr＝0.183，sr＝0.00009。将以上参数代入式（1），可以求得围岩塑性区半径R约为3.96，进而得出松动圈厚度LP≈2.06m。

2.2 巷道变形破坏的岩层影像探测研究

本次探测使用的是TYGD10型岩层钻孔探测仪，应用摄影和拍摄技术直接观察钻孔的成孔情况以及岩层变化情况，通过对巷道不同位置钻孔的观测，进而得出巷道的变形破坏范围。由于观测所得图像过多，且曙光矿集中巷道破坏主要体现在巷帮煤、岩体交界处的的岩层错动破坏，因此本文仅列举巷帮煤、岩层内两个典型钻孔探测特征结果说明。煤层内钻孔深1.8m，岩层内钻孔深2.4m。从岩体内钻孔观测得到的裂隙发育深度以及钻孔变形情况可以看出，巷帮岩体的破坏范围为0～2.3m。观测到的围岩破坏最大深度2.3m，与理论计算得到曙光矿专用行人巷塑性区厚度2.06m存在一定差异，其原因在于理论计算是理想围岩应力下的圆形巷道，而巷道实际形状为半圆拱形，且围岩应力条件相对复杂。从煤体内钻孔观测得到的裂隙发育深度以及钻孔变形情况可以看出，在整个钻孔长度范围内煤体的裂隙发育丰富，钻孔变形大，破坏范围严重。从两个钻孔所观测到的煤岩体内裂隙，变形和破坏情况对比可知，在半煤岩巷中，煤体的变形破坏较岩体严重，由此可能产生煤岩体的滑动，出现台阶式变形。

2.3 数值模拟分析

根据该矿煤岩层的实际赋存情况，采用FLAC3D数值模拟软件建立数值模型，对专用行人巷围岩变形破坏进行数值模拟实验分析，巷道的支护参数采用矿上原有参数，得到巷道围岩的应力及塑性区分布，见图2和图3。由图2可以看出，巷道顶底板出现大范围的应力降低区，而距两帮约2.5m处出现应力集中，达到17.36MPa。巷道顶底板较两帮卸压明显，说明支护作用增强了两帮的承载能力。从图3可以看出，巷道围岩塑性破坏区的发展特点为巷道底角及巷拱角煤线处的塑性区发展范围大，巷道两帮、圆拱中部以及巷道底板中部的塑性区相对较小。巷道受到较大水平应力的影响，巷道围岩塑性区内主要为剪切破坏，局部为拉破坏。巷道的变形破坏范围大，两帮收缩量大，影响正常生产运输，需要对其进行加强支护。

2.4 半煤岩巷道围岩变形破坏机理分析

从数值模拟实验可以看出，巷道开挖后，由于地应力的重新分布，两帮煤岩体内出现应力集中现象，局部可达17MPa以上，由于巷道所受的垂直应力大于煤体的自身抗压强度，从而导致巷帮煤体发生变形破坏。半煤岩巷道由于煤岩体性质的不同以及煤岩体内应力分布的影响，煤岩层之间的摩擦作用小，两分层间的抗剪强度及层间粘结程度低，从而使得煤岩交界处破坏范围大，且可能发生台阶变形。在实际生产过程中，巷道还会受到采动影响，工作面开采活动引起巷道围岩应力的重新分布，增大围岩的变形破坏。通过实验研究和现场实践分析认为：巷道煤岩体的性质、围岩应力分布及采动影响是造成巷道变形破坏的主要原因。

3 巷道支护技术

通过对曙光矿半煤岩巷道围岩变形破坏的分析，可知该巷道塑性区范围大，围岩变形破坏严重，特别是巷拱角处出现台阶变形，在原有的支护方案下，支护强度和支护密度均不能满足防止巷道变形要求，需要对其进行重新设计，在设计时应增加锚杆长度和密度，且由于巷拱角处的台阶变形，该处需要增大支护面积和支护整体性。在现场实际中发现锚喷网配合槽钢的支护能够取得较好的支护效果，因此支护方案采用500mm的槽钢配合锚喷网支护。

3.1 支护方案

根据对巷道围岩变形破坏范围的理论计算、现场实测以及破坏特点数值模拟实验研究，本文依据悬吊理论设计巷道顶板支护参数，依据松动圈理论设计巷帮支护参数，由此确定顶锚杆使用ø22mm×2800mm的左旋螺纹钢锚杆，帮锚杆使用ø22 mm×2600mm的A3钢锚杆，间排距为800mm×800mm，安装锚杆时顶锚杆扭矩力不小于120N·m，帮锚杆扭矩力不小于90N·m。在巷道煤岩交界处即巷拱角处的帮锚杆和顶锚杆用长500mm的12＃槽钢将巷拱角处的帮锚杆和顶锚杆连接，对巷拱角进行加强支护，增加煤岩的整体性。巷道支护断面见图4。

图4 巷道支护断面图

3.2 巷道变形观测分析

为分析支护方案改进后巷道的变形情况，采用十字测量法对专用行人巷进行巷道断面变形观测。在巷道支护方案改进后的支护段，每隔15m布置一个测站，共布置5个测站，在每个测站的巷道两帮中部及顶底板中部分别布置1个测点，对巷道的两帮收敛量和顶底板移近量进行观测。对观测得到的5组数据取平均值，所得的结果如图5所示。

图5 巷道变形量观测结果

通过对观测所得数据分析可知，在观测的100d内，巷道顶底板最大变形量在130mm左右，两帮的最大变形量在150mm左右，巷道两帮收敛量和底臌量均得到有效控制，对矿井的正常安全生产没有影响。

4 结论

（1）基于霍克－布朗（Hoek－Brown）强度准则计算得到的曙光矿专用行人巷塑性区厚度约为2.06m，与运用岩层影像探测技术对煤、岩体内的裂隙发育情况、变形破坏进行了观测分析得出围岩破坏最大深度为2.3m，两者存在一定差异，其原因在于理论计算是理想围岩应力下的圆形巷道，而巷道实际形状为半圆拱形，且围岩应力条件相对复杂。

（2）半煤岩巷道与煤巷或岩巷相比有其自身的特殊性，半煤岩巷道由于煤岩体性质及煤岩体内应力分布的影响，煤岩层之间的摩擦作用小，两分层间的抗剪强度及层间粘结程度低，从而使得煤岩交界处破坏范围大，且可能发生台阶变形。

（3）由于半煤岩巷道在煤岩交界处发生台阶变形的特点，在支护时应对其进行加强支护，增加煤岩交界处煤岩体的整体性，从而可以有效控制巷道围岩变形破坏。

［1］ 温森等.基于Hoek－Brown准则的隧洞围岩变形研究［J］.岩土力学，2011（1）

［2］ 宋建波，张倬元，于远忠等.岩体经验强度准则及其在地质工程中的应用［M］.北京：地质出版社，2002

［3］ 张成文，杨万斌.煤巷支护参数数值模拟设计优化研究［J］.中国煤炭，2011（7）

［4］ 靖洪文，朱宏伟，郭志宏.软岩巷道围岩松动圈变形机理及控制技术研究［J］.中国矿业大学学报，1999（11）

［5］ 董方庭，宋宏伟，郭志宏等.巷道围岩松动圈支护理论［J］.煤炭学报，1994（1）

［6］ 朱永红，马念杰.基于松动圈围岩分类法煤帮锚杆支护设计［J］.煤炭科学技术，2006（7）

［7］ 王其洲，谢文兵，祖梦柯.高应力软岩巷道围岩控制技术研究［J］.中国煤炭，2011（10）

Research on supporting technology in coal－rock roadway based on the loose circle theory

Zhang Yong，Zhang Jiangli，Zhang Xibin，Liu Keming，Xu Lifeng，Li Yanjun，Yang Weishuai

（Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Aiming at the serious deformation and damage of coal－rock walking roadway in Shuguang mine，the paper works out the range of loose circle of the roadway with Hoek－Brown criterion，and conducts the image surveying study on the rock bed for the surrounding rock damage situation.Based on the loose circle supporting theory，the corresponding supporting measures is proposed，and the field observation shows that it has achieved a good application effect.

coal－rock roadway，Hoek－Brown criterion，loose circle，borehole surveying，roadway support

TD353

A

中央高校基本科研业务专项资金资助项目（2011YZ05）

张勇（1968－），男，副教授，主要从事放顶煤开采、矿山压力与岩层控制等方面的研究。

（责任编辑 张毅玲）