破碎围岩巷道变形特征及支护参数优化

杨皓博

（陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 彬县713500）

随着我国煤矿开采深度、规模及产量持续增加，破碎围岩巷道支护问题日益突出[1-3]。王晓利[4]等针对无煤柱开采沿空留巷支护难题，设计了柔模支护技术方法。闫少宏，尹希文等[5]研究大采高工作面直接顶及基本顶判定方法和支架工作阻力量化计算过程，剖析了巷道顶板易形成“短悬臂梁－铰接岩梁”结构。韩玉明等[6]使用超前预注浆加固技术，有效减缓巷道围岩受开采扰动影响。巷道开挖扰动作用下围岩失稳与卸荷易诱发掘进工作面覆岩裂隙发育、岩体大范围垮落[7]，甚至导通巷道顶底板隔水层而发生涌突水事故，严重制约现场安全高效掘进[8-10]。为此针对破碎围岩巷道变形规律及支护问题[11]，以小庄煤矿巷道为研究对象，开展破碎围岩巷道变形特征及支护参数优化研究，为动力灾害预测提供科学依据[12-13]。

1 工程概况

陕西彬长矿区小庄煤矿辅助运输巷，该段巷道长度401.25 m；巷道宽度为5.2 m，巷道墙高度2.0 m（基础高度0.3 m），拱部高度2.18 m，总净高4.18 m。工作面标高为+380～+390 m，煤层埋深520～690 m，平均埋深为620 m，走向长度为1 801 m，煤层平均厚度6.9 m，煤层平均倾角6°。辅助运输巷道穿越煤岩巷地质区段，巷道穿越的4#煤层厚为0~5.5 m，煤层倾角为3°～5°，煤层结构属块状、内生节理发育裂隙。

2 破碎围岩支护特征分析

破碎围岩巷道开挖后支护条件受限于地质构造情况，受开挖扰动和构造应力综合作用，围岩受力状态由变形或破坏向平衡受力状态转变。因此，围岩物理力学性质及其支护刚度对于巷道围岩稳定性控制至关重要。绘制p1-u0图（p1为支护强度；u0为周边位移）。图中曲线斜率越大则支护刚度越大，其支护受力随之增大，巷道周边径向位移反之越小。破碎围岩支护特征曲线如图1。

图1 破碎围岩支护特征曲线

巷道支护以其支护强度和刚度来控制破碎围岩裂隙发育程度和加强原岩强度，通过轴对称圆形巷道计算弹塑性位移：

式中：r0为巷道半径；G 为围岩的剪切模量；φ为围岩的内摩擦角；p0为原岩应力；c 为围岩黏聚力；p1为支护抗力。

由式（1）可以看出，p1和u0成正比，圆形轴对称巷道内修建圆形衬砌，将圆形衬砌简化为厚圆壁筒形状，则其受外压力p 呈均匀分布状态，便于计算分析。因此圆筒外部边缘的径向位移u0计算公式：

式中：a 为圆筒内径；R0为圆筒外径；E1为材料弹性模量；v1为位移系数。

3 破碎围岩巷道变形特征数值计算

通过使用有限元FLAC3D数值计算软件，依据弹塑性本构模型和摩尔-库仑破坏准则，设计左右边界50 m，模型宽100 m、高100 m、长130 m。模型底端设为固定边界，水平和竖向位置固定，4 侧面设为滚轴边界，以限制水平位移，模型上部施加垂直荷载以模拟上覆岩层质量。基于试验巷道围岩工程地质状况，选取岩性较差的砂质泥岩进行围岩稳定性分析和支护设计数值计算分析。

3.1 破碎围岩巷道应力分布特征

由于地质、巷道几何性质等均沿巷道走向中垂面对称，故垂直应力场也表现出十分理想的对称现象，随着煤层倾角垂直应力场不对称分布越发明显，主要表现在2 个方面：顶板应力释放范围逐渐由中部向高帮方向移动；右帮集中应力逐渐消失。矩形巷道开挖计算平衡后，围岩水平应力场仍然沿巷道走向中垂面对称，随着巷道几何形状和地质条件不对称性加剧，围岩水平应力场也显现出不对称分布，随着倾角的增加，顶板应力释放程度降低，但影响范围逐渐增加。巷道垂直和水平应力场分布云如图2 和图3。

图2 巷道垂直应力场分布云图

图3 巷道水平应力场分布云图

3.2 破碎围岩巷道塑性破坏规律分析

岩层中矩形巷道开挖后，水平位移也基本呈对称分布，主要分布在两帮中部，需要注意的是，在两帮外侧3.0 m 处附近煤体出现了背向临空面的水平位移，究其原因，主要是由于巷道开挖后，顶板发生塑性破坏，实际工程中，该部分破坏煤岩体无支护时必然下落形成垮落拱，由于本软件是连续介质模型，发生破坏的单元不会下坠而消失，但计算数据中，无形的拱结构还是存在的，而上述部位处于拱脚部位，较大的水平应力使得两帮部分煤体发生背离临空面方向的压缩变形。垮落拱轮廓如图4。

图4 垮落拱轮廓塑性破坏区示意图

3.3 采动荷载破坏下围岩深度变化规律

无采动影响时，巷道开挖后，围岩破坏主要分布在顶板、底板、低帮、高帮两端和低帮顶角，破坏范围较小，破坏厚度分别为1.39、0.83、0.58、0.81、1.38 m，随着采动应力的增加，这些部位破坏深度越来越大，统计并制图，得到的不同采动荷载下巷道围岩破坏深度变化规律如图5，由图5 可知，低帮顶角的破坏深度随采动应力升高的增幅最快，顶板次之，二者与增载系数之间均呈二次函数关系，低帮破坏厚度与增载系数之间呈直线关系，增幅最小。在破坏形态方面，增载系数为1.0 时，顶板破坏形状呈平行四边形，随着动载的增加，逐渐向三角形过渡；高帮的破坏从顶底角部位开始，随动载的增加而逐渐向中部闭合，增载系数为1.5 时，闭合完成，后又逐渐向外扩展；低帮顶角的破坏首先也是从角部开始，之后逐渐向上发展，到达一定深度后，向低帮侧扩展，逐渐呈现扇形；低帮和底板破坏形态受动载影响较小，基本保持相同的形状。

4 支护参数优化及工程现场评估

4.1 巷道支护参数优化

基于破碎围岩支护特征分析和破碎围岩巷道变形特征数值计算，为进一步强化辅巷围岩支护强度，在剖析原有支护方案的基础上，设计优化巷道侧帮支护方案。在巷道帮部增加锚索，规格为φ21.8 mm×4 500 mm，间排距1 400 mm×1 600 mm，配合钢带联合支护，规格是带长1 900 mm；巷道帮部原支护锚杆增加钢筋梯子梁进行联合支护，梯子梁采用直径为14 mm 钢筋加工，长度3 108 mm。辅运巷道支护优化如图6。

图5 采动荷载破坏下围岩深度变化规律

图6 辅运巷道支护优化图

4.2 工程现场评估

通过使用微震检测系统对巷道支护强度的解危过程进行实时监测，评价现场工程效果。据2017 年5 月1 日到6 月1 日微震事件显示。该时间段内微震事件频率整体呈偏态分布。其中，5 月1 日到8 日和5 月27 日到31 日期间微震频率平均保持在3.0次/min，电磁辐射峰值强度超出预警线，高达90.1 mV，因为该时间段处于实施解危措施的初始阶段，解危效果尚未完全显现。5 月9 日到26 日是微震事件频率的最高阶段，因为原有巷道支护实施效果较差，煤岩柱节理裂隙充分发育，强度降低，塑性变形明显，致使破碎围岩强度降低，微震事件频发。应力集中区能量主要以Ⅰ～Ⅲ级为主的小能量微震事件大量快速释放和传播，表现为微震事件频发期，此阶段电磁辐射强度平均达53.1 mV，对比解危措施实施前期整体表现较高，但均未超过预警线，解危效果开始显现。巷道解危效果显著，保障工作面的安全生产。微震事件频率随时间变化趋势如图7。

图7 微震事件频率随时间变化趋势

5 结 论

1）对破碎围岩巷道应力及覆岩运移规律进行分析，通过破碎围岩支护特征曲线得知曲线斜率越大则支护刚度越大，其支护受力随之增大，巷道周边径向位移反之越小。

2）破碎围岩巷道在岩石中开挖后，水平位移基本呈对称分布，主要分布在两帮中部，在两帮外侧3.0 m 处附近煤体出现了背向临空面的水平位移。巷道支护后沉降量平均较未支护状态下巷道沉降量降低50%，应力峰值减小且呈线性分布。

3）巷道经过支护后顶板运移量大幅度减小，同时减缓覆岩整体性破坏程度。受巷道掘进扰动影响下的顶板更易发生结构失稳，巷道支护能够有效阻碍覆岩顶、底板运移，围岩稳定性得到有效控制。

4）设计优化巷道侧帮支护方案，通过使用微震检测系统对巷道支护强度的解危过程进行实时监测，时间段内微震事件频率整体呈偏态分布。巷道解危效果显著，保障工作面的安全生产。