破碎带厚度对软岩巷道初次支护效果影响研究

李 刚

(山西潞安集团 潞宁孟家窑煤业有限公司，山西 忻州 036700)

引 言

受埋深、围岩特性、地质构造和采掘扰动等影响，巷道顶板易形成破碎带，若不及时对破碎带进行处理，在采掘过程中易引起顶板冒落甚至造成顶板事故[1-2]，造成更严重的软岩巷道事故。利用钻孔窥视仪观测到随着工作面推进，软岩巷道顶板破碎情况逐渐加剧，巷道变形变大，虽进行了初始支护，仍然出现顶板下沉、底鼓、片帮突出等现象，影响矿井安全生产，引发严重的安全事故[3-5]。

本文以孟家窑矿软岩巷道为研究背景，通过现场调查、数值模拟分析等方法研究了巷道顶板破碎带厚度的不同对初次支护效果的影响，并针对最大破碎带厚度的情况提出了支护优化方案，为类似情况下的巷道支护提供一定的参考。

1 工程背景

山西省潞宁孟家窑矿主运输巷围岩属于较软岩层，该巷道为4 m×3 m的矩形巷道。该运输巷所在水平的工作面埋深400 m，上覆岩层主要是泥岩、泥质砂岩、泥沙互层等软弱岩层。随着工作面向主运输巷方向推进，巷道变形问题凸显，顶板破碎严重，虽然进行了初始支护，仍然出现顶板下沉、底鼓、片帮突出等现象。图1为工作面与巷道位置关系图。主运输巷的初始支护方案为：锚网支护，顶板锚杆间排距1 m×1.1 m，帮部锚杆间排距0.8 m×1.1 m，锚杆直径为20 mm，长度为2 m。

图1 工作面及巷道布置图

2 离散元模拟及分析

根据现场钻孔窥视仪窥视发现，破碎带厚度大致可分为1 m、2 m、3 m三种情况。采用离散元软件UDEC进行数值模拟，将主运输巷顶板破碎带划分成随机节理，分别研究顶板破碎带不同厚度下的锚固效果，设计合理的二次加固优化方案。

2.1 模型建立与开挖

数值模拟模型长120 m，高56 m，共6层，其中所开采的煤层厚度为3 m。模拟巷道尺寸长4 m，高3 m，工作面推采至距离巷道左帮5 m时停采。煤层上覆岩层厚度约为400 m，除去模型中煤层上部岩层厚度40 m，上部需加载载荷为10 MPa。除上部边界，其他三个边界均为法向约束。共建立三个数值模拟模型，破碎带厚度分别为1 m、2 m、3 m，建立的数值模拟模型如第124页图2，建立模型所需要的各岩层物理参数见第124页表1。

建完模型并对模型进行赋值后，先对模型进行初始地应力平衡的计算，计算完成后，对模型进行开挖巷道，根据实际之后情况对巷道进行初始支护。巷道开挖支护完成后，对工作面进行回采，工作面每次推进5 m，共推进15次，推进距离为75 m。

图2 数值模拟模型

表1 模拟中采用的材料物理力学参数

2.2 巷道围岩变形分析

截取破碎带厚度分别为1 m、2 m、3 m时工作面推进完成后模型计算图，见图3。

由图3中可以看出：破碎带厚度为1 m(图3a))时，顶板发生一定量下沉，顶锚发生弯曲，两帮移近量较小，锚杆变形并不严重，底鼓现象明显；破碎带厚度为2 m(图3b))时，顶板由于随机生成的裂隙形状的原因，较为稳定，顶锚几乎没有变形，但是两帮移近量较大，帮部锚杆随之发生弯曲，底鼓现象明显；破碎带厚度为3 m(图3c))时，顶板发生垮落，部分顶锚被拉断，两帮变形也较为严重，帮部锚杆随之发生弯曲，底鼓现象明显，工作面顶板完全垮落，巷道顶板下沉严重，顶锚被严重扭曲，说明锚杆受到极大的剪力。顶板变形程度为破碎带厚度2 m<1 m<3 m，总体上符合破碎带厚度越大，顶板变形越严重的客观规律。

图3 巷道围岩变形图

2.3 巷道围岩应力分析

为观察顶板破碎带节理分布形式对顶板上的垂直应力分布的影响，对3个工况中顶板的垂直应力进行监测，得图4。

图4 不同破碎带厚度顶板垂直应力变化趋势图

从图4中可以看出：三种情况下，巷道顶板垂直应力均呈现先增加、后减小的趋势，且开始时工作面离巷道较远，顶板垂直应力增量较小，随着距离巷道越近，顶板垂直应力增量变大；当顶板破坏后，破碎带形成具有承载力的拱顶后，应力值又会稍微降低。巷道顶板破碎带厚度最大时，受工作面采动影响，顶板垂直应力值也较其他两种情况大。

3 巷道支护方案优化

根据模拟结果，选取变形最为明显的破碎带厚度为3 m时的情况进行支护设计优化。为了减小巷道两帮和顶底板的变形量，对巷道进行了锚固支护参数优化，即锚杆进行加密，并在顶板中间和靠近工作面一侧加上锚索。锚杆锚索参数见第 页表2。由于巷道左侧毗邻预留煤柱，为加固煤柱，设置顶角锚索。具体优化方案为：两帮各打4根锚杆，锚杆间距由原来的0.8 m优化为0.7 m；顶板打4根锚杆，锚杆间距由原来的1 m优化为0.8 m，另加两根锚索，图5为锚杆锚索布置图，表2为锚杆、锚索物理力学参数。

图5 锚杆锚索布置图

表2 锚杆、锚索物理力学参数

通过对优化方案的模拟，得到巷道围岩变形图，见图6。

图6 优化方案下巷道变形图

由图6中可以看出：对巷道支护方案进行优化后，巷道顶板下沉、底板底鼓、两帮位移等得到了显著改善。尤其是顶板锚杆，由之前明显的受剪状态变成优化后的微量变形状态；帮部锚杆受剪状态也得到了一定程度的缓解。若现场施工时，配合金属锚网、支架等围岩支护设备，可以更好地控制巷围岩变形。

4 结语

1) 巷道顶板破碎带厚度越大巷道越不稳定，实际变形量与破碎带中随机节理形状有较大关系。

2) 巷道顶板垂直应力随工作面向巷道推进而增加，达到峰值顶板破坏后，垂直应力迅速减小。

3) 对破碎带厚度较大区域，不能只依靠锚杆支护，应采取更加有效的手段，如采用锚杆、锚索联合支护，并增加锚杆、锚索密度等措施来控制巷道围岩变形。