动压影响下巷道围岩破坏变形特征分析及控制

李海波，郭海东

（沁水县应急管理局，山西 沁水 048200）

煤矿井下开采过程中，巷道受动压影响造成围岩破坏变形，给巷道掘进支护及后期维护带来极大困难。为有效控制动压影响下巷道围岩变形，保证工作面安全高效生产，许多学者在该方面进行分析研究并进行应用实践。冯伟斌［1］等采用数值模拟方法分析20101 胶带巷在现有支护条件下巷道变形破坏特征，并总结其机理。陈跟马［2］等采用工程地质调查、理论分析等手段，分析复杂围岩环境下巷道的变形破坏特征，提出“高强高预应力锚杆（索）+底角锚杆”支护技术控制巷道围岩稳定性。高磊［3］采用FLAC3D软件分别对动压巷道无支护、锚网索支护和二次注浆加固进行数值模拟，指出动压巷道采用锚网索+ 注浆加固方式能更好的控制围岩变形破坏。宋锦虎［4］等针对巷道高应力动压特点提出采用卸压让压以及高强锚索的联合支护方法，同时采用单体柱进行局部临时加强支护。本文以常村煤矿13031 回风顺槽掘进工作面巷道掘进支护为研究对象，对巷道在动压影响下围岩变形特征及巷道支护方式和支护参数进行研究分析，提出合理支护方案，对控制巷道围岩变形具有重要指导意义。

1 工程概况

常村煤矿13031 工作面主采二1 煤层，煤层直接顶为中粒砂岩，厚度13.0～18.3 m，平均15.8 m，裂隙发育，裂面发育钙质薄膜。煤层底板为砂质泥岩，厚度2.74～8.48 m，平均5.5 m，裂隙发育，13031 回风顺槽掘进工作面煤岩层柱状见图1。13031 工作面回风顺槽设计宽度为5 200 mm，巷道高度3 000 mm，巷道顶底板煤岩层物理特征参数见表1。

图1 13031 工作面煤岩层柱状图

表1 13031 工作面煤岩层物理特征参数

2 数值模拟分析

为对在动压影响下巷道围岩塑性变形变化过程进行研究分析，结合13031 回风顺槽煤岩层地质条件，运用摩尔- 库伦模型，建立数值模拟计算模型。该模型规格为长×宽×高=260 m×140 m×120 m，其四个侧面在水平方向上设为固定，其底端设定为固定边界条件，上部设定为应力边界条件［5-7］，应力值为6.5 MPa，侧方压力变化系数设为1.4；将该模型划分成64 120 个单元，共66 226个节点。在巷道掘进施工期间，巷道围岩受动压影响产生塑性变形变化过程见图2。

图2 动压影响下巷道围岩塑性变形过程

巷道在掘进施工期间发生塑性扩展变化由图3 中可以看出：①巷道在掘进施工期间，其主要是受剪切力产生的破坏变形，随着巷道的不断向前掘进施工，其围岩形成的塑性破坏力将会逐步向围岩深部延伸；②因巷道在掘进形成后其围岩应力产生释放，从而造成围岩塑性变形主要出现在掘进工作面后方15 m 处和前方30 m 处；③掘进施工期间，巷道围岩发生的塑性破坏单元呈现的特点主要为底板＜右帮＜左帮＜顶板。由上述分析可知，控制巷道围岩破坏变形的关键是加强顶板支护。

图3 巷道掘进施工期间围岩塑性变形破坏扩展变化曲线

3 巷道支护方案确定

结合13031 工作面回风顺槽煤岩层地质条件、动压影响情况及服务年限等方面的影响因素，综合考虑巷道支护安全可靠性，确定巷道的支护方案为：巷道采用锚网索+ 喷浆支护方案，巷道顶部和帮部均采用规格为Ф22 mm×2 400 mm 高强度螺纹钢锚杆，顶部锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm，每排布置6 根锚杆，帮部锚杆间排距为1 050 mm×1 000 mm，每排布置3 根锚杆。巷道顶部锚索呈“2-2”布置，间排距2 000 mm×2 000 mm，每排布置2 根锚索，锚索采用Ф17.8 mm×6 200 mm 钢绞线。巷道锚网索支护方式见图4。

图4 巷道支护

为减少风化侵蚀对巷道支护体的破坏作用，提高支护效果，在巷道掘进支护期间，在其支护体表层进行喷射混泥土覆盖。混泥土使用的水泥为普通硅酸盐水泥，石子采用粒径5～10 mm 的米石，但石粉杂质含量不得大于其重量的5%；砂子采用石英砂，颗粒直径为0.25～0.5 mm，且泥土质含量不得大于3%；喷浆用水为不含杂质的中性水，速凝剂使用量控制在水泥用量的3%～5%；喷射混凝土强度不低于C20；混凝土配比方式为：水泥（质量）∶砂子（体积）∶米石（体积）=1∶2∶2（T∶m3∶m3），喷厚50～200 mm。

4 应用效果分析

为检验支护方案的支护效果，采用“十”字观测法在巷道试验应用段设置2 个观测站，对巷道顶底板和帮部位移变化情况进行观测，两个测站间隔50 m。通过观测的数据收集整理后绘制曲线见图5。

图5 13031 回风顺槽试验段巷道围岩变化监测曲线

由图5 分析可知：测站1 和测站2 处巷道顶底板和两帮移近变形变化趋势大致一样。以测站1观测的数据为例进行分析，在13031 工作面回风顺槽掘进施工初期阶段，由于巷道在开挖后形成的空间使围岩应力得到了极大释放，使巷道围岩破坏变形速率大幅提升。在巷道开挖后10 d内，巷道顶底板移近量变化速率达到了14.8 mm/d，两帮位移量变化速率达到了16.5 mm/d；在巷道开挖25 d后，顶底板和巷帮移近量逐渐变缓基本达到稳定状态，其中顶底板位移量基本稳定在350 mm左右，两帮位移量基本稳定在310 mm 左右，巷道围岩破坏变形基本得到有效控制，表明该支护方案达到巷道支护效果要求。

5 结语

通过运用摩尔- 库伦模型建立数值模拟计算模型对在动压影响下巷道围岩塑性变形变化过程进行研究分析，造成巷道围岩塑性变形破坏现象集中发生在掘进巷道测点后方15 m 处和前方30 m处，且发生的塑性破坏单元巷道顶板最多。巷道掘进支护方式采用的“高强度锚网索+ 喷浆”的支护方式，通过现场数据监测，巷道顶底板和两帮变形量基本稳定在350 mm 和310 mm 左右；监测结果表明，该支护方案能够有效控制巷道在动压影响情况下的围岩变形量，满足工作面生产和支护安全的要求，可为今后类似条件下的巷道支护和围岩控制提供借鉴。