深部峰后围岩大变形巷道稳定性控制探讨

杨武

（长治三元中能煤业有限公司山西长治046600）

0 引言

随着煤层开采深度的不断加大，巷道所处地质环境发生了根本性变化，多数巷道表现出非线性大变形特性，围岩大多处于峰后阶段，岩体裂隙发育，承载性能较低。矿山地质条件本就存在多变性，采动影响下围岩赋存状态变得更加复杂，这使得巷道围岩支护及其后期的维护工作难以取得有效成果。许多专家学者对巷道围岩-支护相互作用规律的研究以及深部地下工程稳定性控制方面做了大量研究[1,2]。本文以三元中能煤业为工程背景，采用数值模拟与现场监测相结合的方法，对深部峰后巷道围岩的稳定性控制进行了研究。

1 工程概况

三元中能煤业位于山西省长治市，现今主采5#煤层。在回风斜井见煤点下推25 m 北侧开口处沿井筒方位两次转角后向北布置回风大巷，煤层倾角平均为8°，平均厚度3.7 m。采用立井开拓方式，开采深度超过800 m。5#煤层布置三条大巷，分别用于运煤、行人运料、通风等功能。其中大巷净宽5.5 m，胶带大巷高4.8 m，轨道大巷、回风大巷高4.2 m。

5#煤回风大巷断面尺寸为5 m×4 m，全断面采用高预紧力钢绞线锚索与锚网的联合支护；其中锚杆规格ϕ 18×1 700 mm 的左旋螺纹钢，按800 mm×800 mm 的间排距打设，施加的预紧力为200 kN，并采用150 mm×150 mm×10 mm 的球型托盘，安装时靠近巷帮锚杆与垂线成15°；锚索采用1×7 芯结构ϕ 17.8×6 500 mm 的钢绞线，间排距为1 600 mm×1 600 mm，预紧力为300 kN；底板浇筑厚度为100 mm的混凝土封层。

图1 原支护方案图

2 支护方式

通过对巷道围岩破坏特征和巷道支护结构特性的分析，发现高强度大密度锚杆进行支护可将浅部碎裂岩体重新形成具有“组合梁”特性的承载性能更好的锚固体，进而促使浅部围岩承载性能得到恢复；随后通过锚索将锚固体悬吊在深部岩层中，使得一定范围内的围岩形成似“承载拱”结构。在浅部“梁”和深部“拱”的耦合作用下，构成巷道承载结构主体，达到共同维护巷道围岩稳定的目的[3,4]。

“深-浅”耦合全断面喷锚支护技术，拟在巷道围岩中构建“双壳”封闭式承载体系，实现多种支护形式时空上的有机结合，达到支护体系与围岩的耦合，进而充分利用围岩的自承载性能，以维护巷道长期稳定。

优化支护方案支护原理如图2 所示。顶板锚杆：ϕ 22×2 400 mm左旋螺纹钢锚杆，内、外层锚杆分别按照600 mm×600 mm、600 mm×800 mm 的间排距交错布置，安装时靠近巷帮锚杆安设角度与垂线成15°，其余锚杆垂直顶板设置；长锚杆：ϕ 22×6 500 mm 自进式注浆锚杆，间排距为600×800 mm，安装时靠近巷帮锚索安设角度与垂线成15°，其余与顶板垂直布置；帮部锚杆：22×240 0 mm左旋螺纹钢锚杆；底板锚杆：22×2 400 mm 注浆锚杆，垂直底板岩层布置，底角长锚杆向两帮倾斜15°布置；表面喷射240 mm混凝土层。

图2 深-浅“双壳”支护体系分析图

3 数值模拟

3.1 模型建立

根据三元中能煤业5#煤层实际条件，各岩层物理力学参数如表1 所示。利用FLAC3D数值模拟软件分别对原支护方案和优化支护方案进行模拟。所建模型尺寸为40 m×30 m×40 m；模型上、左和右边界均为应力边界条件，分别施加15 MPa、22 MPa 和22 MPa 的固定载荷，前后面与底面均为固定位移边界。锚杆、钢带和混凝土喷层分别使用Cable、Beam和Shell结构单元。

表1 各岩层物理力学参数

3.2 模拟结果

从应力场分布、垂直位移和塑性区分布三个方面对两种支护方案的支护效果进行分析。

（1）应力场分布特征

两种支护方案巷道围岩垂直应力分布如图3 所示。由图3a和3b可知，采用优化支护方案时，巷道顶板垂直应力最大值由原支护方案的10 MPa降低至7 MPa，减小了30%，分布形式也更趋于均匀分布。采用优化支护方案后，两帮垂直应力最大值由原支护方案的22 MPa减小至15 MPa，降低了约31.8%。由此可见，优化支护方案可明显降低两帮的应力集中，还可明显看出垂直应力集中区向浅部转移，说明优化支护方案支护效果良好。

图3 巷道垂直应力分布云图

（2）垂直位移特征

两种支护方案下巷道围岩垂直位移如图4 所示。由图4 可知，两种支护方案时，最大沉降均发生在巷道顶板的中央位置，但采用优化支护方案时最大沉降值约为28 mm，相较于原支护方案时的11 mm，减小了约60.7%。另外采用优化支护方案时的巷道底板隆起量和影响范围均明显降低，说明优化支护方案对围岩稳定起到一定的积极作用。

图4 巷道垂直位移分布云图

（3）围岩塑性区分布特征

两种支护方案下围岩塑性区分布如图5 所示。由图5可知，采用优化支护方案时塑性区分布范围明显小于原支护方案，巷道顶板、帮部、底板塑性区范围较原支护方案分别减小了约57.1%、54%、52.5%，这表明优化支护方案的支护效果较原支护方案明显增强，对巷道围岩的控制效果更加显著。

图5 巷道塑性区分布云图

4 结论

以三元中能煤业5#煤层为工程背景，对深部峰后围岩大变形巷道的稳定性控制进行了实验研究，对比分析两种支护方案的支护效果，得到以下结论：

（1）提出了“浅部围岩应力恢复、峰后围岩固结修复、动态叠加整体控制、深浅承载共同作用”四项原则，建立“深-浅”耦合全断面喷锚支护体系。

（2）采用优化支护方案后巷道围岩应力场、位移场及塑性区分布均有较明显改善。