芦岭煤矿Ⅲ1024底板巷支护与围岩类型稳定性分析

张 勇

(安徽省淮北矿业集团股份公司芦岭煤矿办公室，安徽 宿州 234113)

1 工程概况

芦岭煤矿Ⅲ1024底板巷施工层位位于10煤层底板，施工区域上距10煤层底板法距10.4～44.1 m，下距一灰顶板15.5～47.8 m。根据资料分析，该区域岩层倾角14°～20°，平均16°，巷道埋深806.7～852 m，该模拟按最大埋深852 m计算。

该巷道施工区域岩性主要为粉砂岩、中粒砂岩及细砂岩。巷道施工区域煤系地层产状稳定，煤层总体表现为走向北西，倾向北东的单斜构造形态，局部有起伏；10煤层赋存较稳定，结构复杂，10煤层厚度1.99～2.93 m，平均厚2.47 m，为中厚煤层；煤层内发育1层泥岩夹矸，厚度0.42～2.31 m，平均1.30 m。

2 模型设计

根据芦岭煤矿Ⅲ1024底板巷采矿地质条件，建立FLAC3D模型如图1所示，模型尺寸(长×宽×高)=125.2 m×24 m×54 m。模型四周包括底部施加固定边界条件(即模型底面垂直方向速度为0，模型四周水平方向速度为0)，施加均布荷载到模型顶部，模型计算采用摩尔库伦(Mohr-Coulomb)屈服强度准则。

图1 数值模拟模型

根据Ⅲ1024底板巷道围岩类别，本模型可分为11层：以巷道中心为起点，上方岩层依次为砂岩、泥岩、粉砂岩、泥岩和细砂岩；下方岩层依次为泥岩、粉砂岩、煤、粉砂岩以及砂岩。锚杆和锚索等支护结构材料参数，全部按照矿方原支护方案所采用的参数来计算。考虑到施工现场与室内条件存在差异，对部分岩体力学参数做了相应调整。

3 不同围岩条件下巷道围岩稳定性

芦岭煤矿Ⅲ1024底板巷道为三心拱型巷道，左、右帮分别采用两排Φ22 mm长3 m锚杆，顶板布置相同型号锚杆9根，间排距为800 mm×800 mm；顶板平均布置5根Φ22 mm长6.3 m的锚索，排距为1 600 mm。为了更直观的研究该支护方案下巷道围岩的稳定性，对三种不同围岩情况进行模拟分析，分别为砂岩、煤和泥岩巷道。图2为围岩为砂岩时巷道的位移云图，观察图2(a)可知，巷道顶板下沉量接近11 mm，底板鼓起接近44 mm，巷道垂直移近量达到55 mm；观察图2(b)可知，巷道左、右两帮变形量相似，接近72 mm，两帮移近量达到144 mm。由图2可知，该支护条件下砂岩巷道围岩稳定程度一般。

(a)垂直位移

(b)水平位移

图3为围岩为煤时巷道得位移云图，观察图3(a)可知，巷道顶板下沉量接近19 mm，底板鼓起接近48 mm，巷道垂直移近量达到67 mm；观察图3(b)可知，巷道左、右两帮变形量相似，接近12 mm，两帮移近量达到24 mm。由上述数据可知，该支护方案下，煤巷的围岩变形相对稳定。

(a)垂直位移

(b)水平位移

图4为围岩为泥岩时巷道的位移云图，观察图4(a)可知，巷道顶板下沉量接近42 mm，底板鼓起接近78 mm，巷道垂直移近量达到120 mm；观察图4(b)可知，巷道左、右两帮变形量相似，接近65 mm，两帮移近量达到130 mm。

(a)垂直位移

(b)水平位移

根据上述模拟情况可知，三种围岩情况下巷道围岩主要以对称变形为主，该三心拱巷道支护在煤巷中围岩最为稳定，变形量也最小；砂岩巷道中，左右两帮移近量最大，因此在该支护条件下，应改善帮部支护，增加锚索或者锚杆的数量；泥岩巷道中，顶底板和两帮移近量都较大，围岩破坏也最为严重。通过上述对比分析，该支护方案在现场情况下具有良好的支护效果，而对于深部大断面高地压软岩巷道围岩控制技术具有较好的应用前景。

4 现场支护效果监测分析

为监测支护设计方案对巷道围岩的控制效果，在Ⅲ1024底板巷道掘进迎头处对围岩的表面位移、深部岩层位移进行了监测。采用双十字布点法安装液压枕和多点位移计，将每个基点的读数记为初始值，之后获取的新数据减去初始值即为深部各基点的位移量，每隔7 d观测一次，由监测数据得出断面围岩变形曲线，如图5所示。

图5 Ⅲ1024底板巷测站围岩位移图

从图5可以看出：测站位置顶板和左帮围岩的变形量整体较小，而左右两帮移近量整体大于顶底板移近量，右帮变形和底臌尤为严重，观测初期，巷道围岩变形速率较大，并逐渐趋于平稳，在观测80 d后，围岩位移量基本保持稳定，巷道围岩变形得到了有效控制。由此分析此段巷道矿压显现剧烈的原因为：巷道顶板较为破碎，一次支护后，围岩应力释放，围岩流变现象明显，支护难度较大。建议掘进施工期间，①根据巷道围岩变形情况，实施关键变形部位采用注浆锚索补偿加强支护方案，增强支护结构的刚度和强度，与围岩形成共同承载的支护体，保障围岩稳定；②及时卧底，确保巷道断面满足需求。

5 结 论

通过对芦岭煤矿Ⅲ1024底板巷道的三种不同围岩形式下支护方案的可靠性数值模拟，得出以下结论。

1)在高地应作用下，相较于三种巷道而言，泥岩巷道变形尤为显著，尤其巷道底臌较为严重，这是由于在巷道开挖过程中两帮应力集中逐渐下底板下移，导致底板应力过大。

2)随着岩性的变化，巷道两帮位移较为显著，顶底板位移差别不大，两帮应力区逐渐降低，巷道水平应力回升至原岩应力更加困难，表明该支护方案应当加强帮部支护，从而降低帮部围岩破碎。

3)在一定程度上，现行支护方案，满足该巷道工程施工要求，对三心拱巷道支护和围岩稳定性有效控制提供较好的设计方案。

4)通过现场矿压监测数据来分析实际巷道围岩变形情况，并提出改善方案，从而保障巷道围岩稳定性，达到工程实际要求。

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