埋藏深度对巷道围岩稳定性影响分析及支护优化

张志远

(太原煤气化(集团)有限责任公司，山西 太原 030032)

龙泉煤矿为太原煤炭气化(集团)有限责任公司的重要煤炭生产基地，年产能力近400万t，采用综合机械化放顶煤工艺开采位于太原组顶部的4#煤层。4#煤层的厚度为1.70～8.2 m，平均6.47 m，煤层倾角为5°～10°，埋藏深度300～1 000 m，埋深变化较大。为了保证矿井采掘正常接替，井田南部掘进布置了3条大巷，包括两条煤巷(南胶带大巷、南一回风大巷)和一条岩巷(南运输大巷)。南胶带大巷施工断面形状为矩形，宽5.7 m，高3.75 m，断面面积为21.38 m2，设计长度为2 154.6 m，沿4#煤层顶板掘进长度为1 709.8 m，倾角较大，为12°～13°；巷道埋深变化大，南部较浅处埋深为231 m，北部埋深达到583 m.

该矿面临着同一条巷道埋藏深度变化大但因支护方式不变而导致的深部范围支护效果不佳或浅部范围支护成本过大等问题。为了合理评价巷道支护现状，改善支护参数，提高综合支护能力，以南胶带大巷为例，对不同埋藏深度下的巷道围岩稳定性状况进行分析及支护优化，确保巷道安全、正常的掘进。

1 地质特征

为了解4#煤层顶板岩层的赋存及层理、裂隙发育情况，在南胶带大巷布置2个钻孔并采用TYGD10探测仪进行钻孔窥视分析。顶板15 m范围内的钻孔围岩性质及岩层分布统计情况见表1.

表1 顶板围岩性质及岩层情况表

总体来说，顶板15 m窥视范围的4#煤层顶板较破碎，裂隙发育，尤其在1～2 m、6～9 m段，围岩破裂严重；此外还伴有少量夹层，在窥视过程中涌水量较大，对巷道围岩稳定性的影响较大。

2 不同埋藏深度巷道围岩的稳定性分析

由于工程类比巷道支护设计方法具有一定局限性，该矿南胶带大巷原有支护方案设计所使用的煤层赋存条件、围岩结构具体信息量和考虑埋藏深度因素不足[1]. 采用FLAC3D有限差分数值计算方法对原有支护条件下南胶带大巷在不同埋藏深度时支护结构的稳定性进行定量分析，将计算结果中的位移、应力等作为评价指标，对不同埋藏深度范围的支护方案进行优化[2-5].

南胶带大巷的原支护方案：顶板及巷帮锚杆均为d22-M24-2400 mm左旋螺纹钢锚杆，其中顶板锚杆的间排距为850 mm×1 000 mm，巷帮锚杆的间排距为900 mm×1 000 mm；顶板锚索为d21.8 mm×7 000 mm预应力钢绞线，“二三二”五花布置，两根的间排距为2 300 mm×2 000 mm，三根的间排距为2 200 mm×2 000 mm.

由于该矿南胶带大巷的埋深变化较大，为了对比分析不同深度下原有支护方案对应的巷道围岩支护效果，分别取埋深为200 m、400 m、600 m和800 m进行分析计算，为该矿不同深部巷道选取合理的支护方案提供参考。由于篇幅限制，仅列举出埋深400 m时南胶带大巷原支护方案数值计算后得到的巷道围岩垂直应力、塑性区、垂直位移、水平位移分布图(图1)，不同埋藏深度巷道数值计算后得到的评价指标见表2(垂直应力、剪切应力、水平应力为应力云图中巷道围岩应力的最大值)。

图1 埋深400 m时南胶带大巷数值计算结果图

由图1可以看出，南胶带大巷开挖后两帮围岩中的垂直应力比较集中，在两帮位置形成了强烈的应力集中区域，垂直应力最大达到了17.38 MPa. 巷道围岩中的塑性区以剪切破坏为主，且顶底板、两帮破坏范围都较大，巷道围岩的整体稳定性较差。巷道顶板的最大下沉量为9.34 cm，最大底鼓量为14.13 cm，顶底板收敛值为23.47 cm，两帮收敛量最大值为21.66 cm，巷道围岩变形较大。

表2 巷道围岩评价指标数值计算结果表

将数值计算得到的埋藏深度分别为200 m、400 m、600 m、800 m时南胶带大巷的围岩变形、围岩应力对比结果见图2，图3.

图2 埋深与巷道围岩位移关系曲线图

图3 埋深与巷道围岩应力关系曲线图

由图2，图3可以看出，南胶带大巷的埋深从200 m增加到800 m，对应的围岩变形量、应力值均大幅度增加，巷道埋深400 m时的顶底板移近量、两帮收敛量约为200 m时的3倍，围岩应力达到埋深200 m时的2倍；埋深在600 m时顶底板移近量、两帮收敛量达到埋深400 m时的3倍，围岩应力较埋深400 m增加约50%；埋深在800 m时顶底板移近量、两帮收敛量约为埋深600 m时的1.5倍，围岩应力较埋深600 m时也有所增加。此外，埋深达到600 m、800 m时，巷道围岩的塑性破坏范围明显大于埋深200 m、400 m. 总之，埋深对巷道围岩稳定性影响较大，尤其对于巷道埋深处于800 m时需要及时加强支护，改善巷道围岩稳定性。

3 不同埋藏深度巷道围岩支护方案优化

通过对原支护方案下不同埋深对巷道围岩稳定性影响的数值计算分析与研究，可以看出南胶带大巷的原支护方案基本满足埋深200 m、400 m时围岩的稳定性控制要求；但对于埋深超过600 m时，巷道围岩的变形、应力远远大于埋深为200 m、400 m，应当加强支护。

因此，针对该矿南胶带大巷不同的埋深条件，建议采取有区别的支护方案。当埋深小于400 m时，原支护方案可以满足围岩控制要求，考虑支护材料经济成本因素，可结合现场矿压观测结果适当降低锚杆索的密度，即增大间排距。当埋深大于400 m时，应在原有方案的基础上将锚索、锚杆间排距适当缩小，调整锚索布置方式，即在原支护方案的基础上，顶板锚杆的间排距由850 mm×1 000 mm调整为850 mm×850 mm，巷帮锚杆的间排距由900 mm×1 000 mm调整为850 mm×850 mm，锚索排距由2 m调整为1.7 m. 对埋深大于400 m时调整支护方案后的支护效果进行数值计算分析，得到的巷道围岩垂直应力、塑性区、垂直位移、水平位移分布结果见图4.

由图4可以看出，南胶带大巷埋深大于400 m时，调整支护方案后的垂直应力比较均匀，在两帮位置形成的应力集中区域不明显，垂直应力最大为14 MPa. 巷道围岩中的塑性区仍然以剪切破坏为主，但顶底板、两帮破坏范围都较小，巷道围岩的整体稳定性较好。巷道顶板下沉量最大为9.04 cm，底鼓量最大为14.01 cm，顶底板收敛值为23.05 cm；两帮收敛量最大值为20.55 cm，支护效果优于调整前的支护方案。

图4 埋深大于400 m时调整支护方案后的支护效果图

4 结 论

1) 在南胶带大巷布置钻孔并采用TYGD10探测仪进行钻孔窥视分析得出，该巷道的顶板围岩破裂严重，且含水，对巷道围岩稳定性的影响较大。因此，进行巷道围岩控制过程中必须保证锚杆、锚索的锚固质量，适当加长顶板锚索锚固长度，提高巷道锚固性能及围岩整体稳定性。

2) 通过对数值模拟计算得到的巷道围岩表面收敛量和应力水平评价指标进行处理分析得出，埋深对巷道围岩的稳定性影响较大，支护应当“因地制宜”，即使是同一条巷道，当埋深发生变化时，应在确保安全的前提下，根据实际情况及时调整支护方案。