锦界矿回采巷道围岩破坏特征与支护参数优化

张 琪，杨 宵，乔博阳

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京 100083）

许多专家学者对巷道围岩破坏特征和支护参数优化进行了细致入微的研究[1-2]。康红普等[3]提出煤岩体本身存在的结构面控制着围岩破坏特征，并且提出了利用钻孔窥视仪进行围岩结构探测的方法。刘洪涛等[4]提出根据稳定岩层层位的变化，划分出运输巷道冒顶隐患级别。赵志强[5]首次提出蝶形塑性区的理论，并推导出了圆形巷道围岩塑性区边界方程。张明磊等[6]提出应充分考虑到围岩的自身结构承载能力和锚杆的支护作用，利用其稳定性判据来检验锚杆支护巷道的稳定性。王猛等[7]研究认为，主应力变化对深部巷道围岩变形破坏特征的影响在巷道支护中非常必要的。

以锦界煤矿3-1煤层为例，巷道顶板的完整性和离层现象在一次采动影响下具有很大的差异。为此采用FLAC3D数值计算进行巷道围岩稳定性和支护参数优化研究，以巷道围岩主应力作为切入点，通过将主应力大小和方向相结合进行研究，从而判断出主应力大小和方向对巷道围岩破坏形态和范围的影响，提出合理的支护优化方案，为分析同类巷道支护方式以及类似巷道围岩破坏现象提供借鉴。

1 工程概况

锦界煤矿位于榆神矿区东北部，地处陕西省榆林市神木县瑶镇乡和麻家塔乡境内，锦界矿3-1煤是井田内3层主采煤层之一，埋深一般为70～120 m，倾角1°左右。3-1煤顶板为粉砂岩、细粒砂岩，抗压 强 度 为 27.4～37.2 MPa， 天 然 含 水 率 1.48%～2.12%，软化系数 0.22～0.66，底板为粉砂岩、细粒砂岩，抗压强度为 37.4～45.3 MPa，天然含水率 0.45%～1.4%，软化系数 0.32～0.48。巷道围岩属于中等稳定性岩层。

93402回风巷道为矩形巷道，宽5.4 m，高2.9 m，巷道断面积15.95 m2。巷道采用沿底留顶煤掘进方式，巷道高度不够时进行拉底，保证巷道高度不低于2.95 m。巷道采用树脂锚杆+金属网片+锚索联合支护工艺，锚杆规格选用φ16 mm×2 100 mm圆钢一次性紧固锚杆，其中锚杆布置为矩形，间排距1.0 m。锚索排距为3 m，间距为2.5 m，每排2根。93402回风巷原始支护参数如图1。

图1 93402回风巷原始支护参数

2 巷道围岩结构特征分析

2.1 顶板结构与变形特征

巷道顶板岩层情况和变性特征将直接影响回风巷锚杆锚索支护情况，通过多组岩层钻孔窥视仪的摄录结果比较可知，巷道顶板岩层较稳定，岩层厚度偏大，且各层位顶板厚度变化也较为明显，顶板总体稳定性较好。顶板钻孔摄录如图2。

图2 93402回风巷顶板钻孔摄录结果

巷道顶板窥视结果显示，顶煤厚度不大，厚度在0.2～0.4 m之间。各个联巷测点顶煤上方均为细粒砂岩，巷道顶板岩性单一无变化，顶板岩层结合较为简单，且联巷顶板裂隙较少，顶板完整性好。

2.2 松动圈测试

回采巷道开挖后，煤岩体原始应力平衡被打破，巷道围岩应力重新分布，进而围岩部分区域产生应力集中，当其应力大于煤体的极限应力时，巷道周边一定范围的煤体就会发生变形破坏，此范围的应力会有所降低，应力得到释放，围岩将破碎产生裂隙从而形成松动圈[8]。为了探索巷道围岩破坏情况，由此进行围岩松动圈测试。本次松动圈测试共布置6个测点，测试布置如图3。

图3 93402回风巷松动圈测试布置图

由此分别在巷道的两帮腰线位置，钻头直径42 mm，测量钻孔采用煤电钻打孔，钻孔方位保持向下倾斜3°～5°。测点布置在掘进工作面后方20 m左右，每隔10 m布置1个测试点。各测孔松动圈测试结果如图4～图5。

图4 煤壁帮测孔声波图

由图4煤壁帮测孔声波折线图可以清楚的发现，以20 m处煤壁帮测孔为例，距离孔口0.5 m左右范围内，测试声波波速较小且平稳，表明巷道围岩破碎严重，围岩处于塑性状态，而距孔口0.5 m之后，波速呈台阶式急速增长，随之保持平稳状态波动，巷道围岩进入弹性状态。距掘进工作面80 m处，煤壁帮测孔距离孔口1.0 m范围之内，测试声波波速较小且平稳，巷道破碎严重，围岩处于塑性状态，而距孔口1.0 m之后，波速呈台阶式急速增长，随之保持平稳状态波动，但其波速小于其他测点。其他各处测孔波速呈现相似的规律。总体来讲，距巷道表面距离越小，受采动影响越大，围岩较破碎。

图5 煤柱帮测孔声波

由图5煤柱帮测孔声波折线图可以清楚的发现，煤柱帮声波波速变化和煤壁帮有着相似的变化规律。以20 m处煤壁帮测孔为例，距离孔口0.5 m左右范围内，测试声波波速较小且平稳，表明巷道围岩破碎严重，围岩处于塑性状态，而距孔口0.5 m之后，波速呈台阶式急速增长，随之保持平稳状态波动，巷道围岩进入弹性状态。距掘进工作面80 m处，煤柱帮测孔距离孔口1.0 m范围之内，测试声波波速较小且平稳，巷道破碎严重，围岩处于塑性状态，而距孔口1.0 m之后，波速呈台阶式急速增长，随之保持平稳状态波动，但其波速小于其他测点，其他各处测孔波速呈现相似的规律。总体来讲，距离巷道表面距离越小，受工作面采动影响越大，围岩破坏相对严重。

两帮松动圈大小随距工作面变化趋势如图6。由图6分析可知，回风巷两帮围岩的松动圈范围随工作面采动而变化，距离工作面后方20 m处，回风巷煤壁帮和煤柱帮松动范围为0.4 m，随着工作面向前推进，距离工作面后方越远，煤柱受力破坏相对较大，巷道围岩松动圈范围有逐渐增大的趋势。另外，煤柱帮一侧围岩比煤壁帮一侧围岩受采动影响破坏更严重。

3 巷道围岩应力与破坏特征

3.1 模型的建立

以锦界矿93402回风巷道为理论计算模型，93402回风巷道位于3－1煤层之中，煤层平均厚度3.50 m。顶板依次顺序为：粉砂岩平均厚度 1.6 m，细砂岩平均厚度6.0 m。底板依次顺序为：泥岩厚度0.21 m，粉砂岩厚度 2.86 m，细粒砂岩厚度 12.65 m。各岩层的力学参数见表1。

图6 两帮松动圈大小随距工作面变化趋势

此巷道的开挖与支护实际上属于三维问题，为了计算同一断面的开挖和巷道优化支护方案，而且为解决问题和计算上的方便，将此计算近似为平面应变问题，因此，采用FLAC3D进行计算。

表1 煤岩物理力学参数

建立93402回风巷道受采动影响时Mohr－Coulomb本构模型，尺寸 330 m×600 m×110 m，为研究巷道顶板破坏特征和进行支护参数优化提供依据，回采工作面模型图如图7。计算模型的左右侧和底部取位移边界，而上部取应力边界，其应力为上部覆岩的自重应力，即ρh，其中ρ为上覆岩层平均密度，h为计算模型上边界地表的平均距离。根据实际围岩介质，取 ρ＝2 500 kg/m3，h＝80 m，由此可以计算出上边界的应力为2.0 MPa。

通过对93401工作面进行开采，研究该工作面开采时对93402回风巷受采动应力时的影响，得出巷道轴线方向上最大主应力8.2 MPa。建立尺寸为50 m×3 m×50 m的模型，将上述研究过程中得出的巷道轴线方向上最大主应力施加在该模型的上部边界上，其余边界条件与93401回采工作面模型一致。93401工作面开采之后，93402回风巷道受采动应力影响，巷道围岩应力云分布如图8，巷道围岩应力发生小角度偏转，主应力方向如图9。

图7 回采工作面模型图

图8 93402回风巷受力分布

图9 主应力方向图

为研究93402回风巷道主应力大小受93401工作面受采动影响时的规律，通过建立模型模拟工作面距开切眼30 m处推进370 m，从93402回风巷提取的最大、最小主应力如图10。无论是最大主应力或是最小主应力，应力曲线在工作面后方都会以单峰值的形式呈现，这个峰值位置在距工作面后方185 m处；而工作面超前范围内主应力大小则减小了很多，表明回风巷超前范围内受采动应力影响很小，回风巷变形较小。

图10 主应力规律

主应力比值如图11，主应力比值曲线变化分布规律与最大主应力曲线变化规律基本相同，随着主应力大小的变化，比值随之变化。工作面后方200～400 m范围内，巷道围岩围压比逐渐增大，最大主应力和最小主应力也逐渐增大；比值峰值和主应力峰值出现点相同，距工作面0～200 m范围内比值逐渐减小，表明主应力此时也减小。而工作面超前200 m范围内比值逐渐下降至原岩应力主应力比值。

3.2 93402回风巷围岩破坏分析

图11 主应力比值

回风巷受上一工作面采动围岩应力大小影响会产生围岩塑性区的变化。运用FLAC3D数值模拟计算出的93402回风巷围岩塑性区如图12。

图12 巷道围岩塑性区

模拟结果显示，巷道受采动影响不大，巷道顶底板围岩完整性较好，两帮围岩塑性区最大深度1 m，与围岩松动圈测试结果显示一致。巷道围岩破坏范围不大，由此可对巷道原有支护参数进行优化提供理论支持。

4 支护参数优化与试验

4.1 支护参数优化

巷道围岩松动圈测试和FLAC3D数值模拟结果可以真实反映出93402回风巷围岩破坏情况，由于巷道顶底板的完整性较好，两帮围岩塑性区范围不大，巷道支护参数的优化设计，不仅应考虑巷道稳定性要求[9-11]，还要综合考虑掘进速度和支护成本[12-13]。根据以上理论对原有支护参数提出如下优化方案。

1）巷道顶板采用φ16 mm×2 100 mm紧固性锚杆支护，锚杆间距1 200 mm×1 000 mm，顶板不挂网；矩形布置方式，每根锚杆使用1根CK2350型锚固剂；两帮挂塑料网支护。

2）巷道顶板采用 φ15.24 mm×6 500 mm 锚索支护，锚索间距3 000 mm，每根锚索使用3根CK2350型锚固剂。

3）帮网施工由原来的铁丝网优化为塑料网，锚杆由原来的2套/m、矩形布置优化为现在的2套/1.5 m、三花布置，并取消了煤巷带木托盘底锚杆的使用。

与原有支护参数比较，优化后支护参数使得锚固支护技术更加合理，既大大节约了锚杆量，降低了材料消耗，又最大限度地发挥了锚杆的锚固作用和围岩的自承能力，达到了支护-围岩共同承载的目的，既维护了巷道的安全稳定，也充分利用了锚杆的承载能力。

4.2 锚杆锚索受力监测

锚杆锚索受力监测结果，锚杆锚索受力监测结果可真实反映出巷道围岩锚杆锚索的工程情况，了解锚杆锚索实时工作情况。用锚杆测力仪监测锚杆的承载力，判定锚杆的承载情况，进而可对锚杆支护效果进行测试。选取部分锚杆进行监测，锚杆锚索受力监测布置如图13。

实验在93402回风巷道距93401工作面分别为100、200、300 m处巷道顶板中央安装1组锚杆测力计监测锚杆锚索受力情况，受力监测见表2。

图13 锚杆锚索受力监测图

在监测期限内，从表2中数据可以看出，锚杆初始锚固力大小情况为：93402回风巷道工作锚杆受力和锚索受力为35、68 kN。进一步采动受压变化，锚杆和锚索最大受力达35 kN和68 kN，锚杆和锚索最终受力趋势稳定，达12 kN和32 kN。锚杆锚索并未出现绷断的现象。

表2 锦界矿93402回风巷道锚杆锚索监测数据

5 结论

1）93402回风巷受工作面开挖一次扰动影响，巷道围岩变形，出现塑性区。巷道围岩顶板完整性较好，两帮变形量不大。

2）由获取的主应力曲线可知：回风巷受一次采动影响，主应力曲线呈现先上升后下降的趋势，且主应力大小最大值点出现在滞后影响阶段。

3）结合数值模拟滞后影响阶段研究可知：主应力大小和方向决定了巷道围岩的破坏形态，主应力比值决定了塑性区扩展范围。

4）巷道支护参数优化后，为保证支护质量，经过锚杆锚索受力监测试验，并未出现锚杆与锚索绷断现象的发生，试验结果良好。