掘进工作面围岩应力分布特征及其与支护的关系

＊史 博

（山西怀仁联顺玺达柴沟煤业有限公司 山西 038300）

在煤矿开采过程中工作面掘进是十分关键的环节，高效安全的巷道掘进与支护技术是实现煤矿顺利开采的必要前提。但是现如今随着开采深度和强度的不断加大，我国的煤矿开采已经呈现出了如下发展趋势：综采放顶煤开采技术的广泛应用，促使煤层顶板巷道在全煤巷道中所占的比重越来越大；为了提高掘进效率，广泛采用矩形类断面巷道代替拱形类断面巷道；随着掘进设备与通风设备的体积不断增大，巷道断面持续增大、埋深逐年增加；这些因素都导致巷道开采面临着更加复杂的地质环境，也对巷道围岩的稳定性带来了十分不利的影响，进一步提高了巷道围岩支护难度。

1.工程概况

该煤矿巷道埋深约为1200m，掘进工作面与水平面的夹角为28°，长度为335m，根据详细勘测可知煤层中的瓦斯含量为8.5m3/t，煤层平均厚度为5m。该巷道顶板岩层主要为砂质页岩，破碎系数较高；底部岩层主要为中粒砂岩。

2.掘进工作面围岩应力分布特征

(1)掘进工作面围岩应力分布模拟

技术人员利用相应的工作软件对该掘进巷道工作面围岩应力特征进行仿真模拟，得出在切面上的垂直压，如图1所示。

由图1可知，随着煤矿巷道挖掘深度的持续增加，围岩的应力状态也在不断发生变化：在工作面前方的围岩应力正比增加，在工作面后方的围岩应力反比减小，通俗的说就是在掘进工作面前方一定位置围岩应力会发生显著变化，并且在工作面处应力达到最大值，在工作面后方一定位置后趋于稳定。在掘进过程中，挖掘前方两侧的围岩应力无明显变化；掘进工作面后方应力降低区和应力升高区的面积在不断扩大，当与工作面远离一定距离后，应力变化趋于稳定。

图1 垂直压应力分布示意图

(2)掘进工作面围岩应力的实际监测

为了获得更加详细的围岩应力状态分布信息，技术人员决定采用实时监测的方法对掘进工作面围岩应力状态进行全面监测，得出的监测结果如下图所示。

从图2（a）中可以看出，在该巷道工作面附近的围岩最大应力约为23MPa，应力最大位置与工作面两壁之间的距离大约为8m，同时随着掘进工作面的不断推进，支撑压力的影响范围扩大至50m左右。超过支撑压力最大位置区域的压力会逐渐降低，并最终回归至原始的应力状态。从图2（b）可知，支撑压力与回风巷道下方的距离成正比，并且在工作面10m附近处达到最大值，然后支撑压力逐渐减小。

图2 实际掘进工作面围岩支撑压力分布曲线

(3)掘进工作面围岩变形与破坏特征

在超前工作面6m处围岩位移会以较大的速度显著增加，经过工作面时增加速度变缓，移动至工作面后方10m位置时趋于稳定，如图3所示。在掘进工作面处的顶板下沉量为总下沉量的40%左右，在工作面后1m处顶板下沉量占总下沉量的50%；掘进工作面周围剪切破坏区会随着工作面的距离变化而发生变化，在掘进工作面前方2.5m处出现剪切破坏，破坏范围可达3m；在掘进工作面后方1m处的剪切破坏范围可达4m，在掘进工作面后方10m处剪切破坏趋于稳定。

图3 掘进工作面前后围岩位移曲线

3.掘进工作面巷道支护及加固设计

在巷道挖掘中，如果围岩性能稳定并且完整，存在着较小形变，则无需采用额外的支护技术，但是这种情况十分少见。支护加固结构主要作用在巷道挖掘表面，对挖掘边界的位移产生限制作用。锚杆支护是最常用的围岩支护结构。

(1)掘进工作面附近支护应力场分布

在巷道挖掘中，如果围岩性能稳定并且完整，存在着较小形变，则无需采用额外的支护技术，但是这种情况十分少见。支护加固结构主要作用在巷道挖掘表面，对挖掘边界的位移产生限制作用。锚杆支护是最常用的围岩支护结构。

通过技术人员的详细计算，可知锚杆预应力产生的应力场主要呈现以下特征：

①在锚杆尾部附近存在着较大的应力集中现象，而且随着与顶板距离的持续加大，压应力逐渐减小；在锚杆端部存在拉应力区，但是对应的拉应力值相对较小。

②在掘进工作面的后方区域，锚杆支护所产生的预应力会在顶板处形成连续分布并且具有一定厚度的压应力带；与工作面距离最近的锚杆所产生的预应力场会扩散至空顶区，预应力与扩散范围成正比，并且离锚杆越近的位置压应力越大，虽然压应力值相对较小，但是也可有效应对空顶区围岩冒落、破碎，并且可有效降低外界环境对围岩结构产生不利影响。

③在高预应力条件下，压应力值与压应力区域成正比，也就是压应力值越大所覆盖的压应力范围越广，锚杆的主动加固作用越强。

(2)支护与加固的时空设计

对于连续岩体，在掘进初期无需额外设置刚性支护，也就是允许围岩岩体存在一定形变与位移，但是要保证在出现危险时达到位移平衡；对于非连续岩体，围岩的整体强度与完整性相对较差，围岩响应曲线趋于平直，也就是说岩体存在着较大的破碎系数，此时所需要的支护力度也越大。如果存在极限条件，也就是围岩强度为零，那么需要的支护压力要与原岩应力一致。

注浆可有效提高巷道的加固效果，并且具有注得进、黏得住等两个时间与空间优势，在锚杆支护中作用明显：一是可有效避免煤岩体因滑动、离层、裂隙张开等因素而导致的结构变形，可以最大程度的保证煤岩体的稳定性和完整性；二是注浆可妥善改变开挖断面周围的采动应力场，不仅可以减小压应力区，同时也可有效抑制拉应力区的产生。

4.结论

在煤矿巷道挖掘过程中，随着挖掘的进行会使得附近煤岩体发生一定位移，并且应力主要分布在开挖边界，同时会对煤岩体的气体压力、水压力、温度与湿度产生影响，进而导致煤岩体的力学性质发生变化。巷道轴线与最大水平主应力方向夹角的变化也会显著影响围岩应力；在掘进工作面后方一定位置处围岩应力趋于稳定。超前工作面位移通常无法监测，技术人员在设计支护结构时一定不要忽视这部分位移影响。对于非连续煤岩体，如果围岩暴露就需要立即采用相应的支护措施，现如今我国煤矿最常见的支护结构为锚杆支护，同时要对锚杆支护结构给予足够的预应力，在避免煤岩体变形的同时提高煤岩体的完整性和稳定性，最大程度的控制煤岩体出现拉伸和剪切变形。