巷道掘进围岩纵向变形分析与支护技术

王维学

(山西阳煤集团南岭煤业有限公司，山西 太原 030400)

引言

巷道开挖期间对周围岩体的影响范围较大，尤其是接近掌子面的岩体变形大，速度快，因此若在破碎地带进行开挖巷道，需进行超前支护，确保施工安全。依据巷道掘进围岩纵向变形模型强度准则，对巷道开挖时围岩纵向变形进行弹塑性分析，以及巷道围岩纵向变形的关系，进而可以求得距离开挖面每一截面处的塑性区半径和围岩变形，对巷道进行及时有效的支护，保证巷道稳定。

1 开挖面空间效应

巷道的形成需要工人在原来的岩层上进行作业，内部的岩层始终保持着平衡的力度。但是伴随着巷道的建设巷道的内部受力状况就会发生改变，使得原先的平衡状态变得失衡，让岩层更容易发生断掉、崩塌的风险。巷道周边的岩层石壁受力并不是线性的，如果这个时候工人将作用力施与围岩，并且作用力逐渐增大围岩就会发生变形。变形的围岩会逐渐受到破坏，这是由于岩层周边的存在面还会受到两端力度的影响，让围岩保持一段时间的静止状态。煤巷支护工作的质量对整体矿产资源的开采具有重要的作用，它是开采工作顺利展开的必备环节和重点任务，为了让我国的矿产开采行业具有更好的发展未来，许多专家和技术人员在不断地加强研究，试图找到更加合适的支护技术，防止岩层坍塌，保护工作人员的身体健康。但是大多数人研究的支护技术只是关注如何支撑更加坚固，却忽视了找寻岩层的受力原理，让岩层趋于平衡，所以这些技术的实际效用都比较低。所以本文从岩层的受力状况分析，试图找到平衡性能的支护技术，提高巷道掘进的效率和质量。

2 巷道掘进围岩纵向变形分析

2.1 巷道掘进应力及变形特征分析

举例来说，煤炭资源开采是最常见的开采工作，一家煤矿企业的采煤工作面巷道掘进为具体事件，分析巷道上层以及周边岩层的受力状况。工人结合煤炭开采的地质环境与周围的气候，再结合受力因素，运用先进的技术手段确定相关的开采模型，该模型的大小是固定的，它的长为100m，宽为10m，高位110m，其中包含了数值较多的单元个体易捷建设节点。最后员工根据先进的Mohr-Coulomb本构模型进行精确的衡量。

2.2 未支护状态下力学模型

对于支护技术的研究，我们可以先从未支护状态开始确定岩层的力学模型，再根据其实际的受力确定支护技术。具体做法如下：首先我们做出这样的假设即开采巷道的形状是圆形的。航道周边的岩层和上层的岩层具有一些孔隙，该空隙分布较为均匀，一般呈相同的方向排列，岩层不会发生变动，是比较固定的塑性体，具有比较高的坚硬度。建立好模型后有关人员需要检查模型是否符合Mohr-Coulomb原则，巷道变形的影响因素有很多，其中最为主要的便是岩层受力不均。巷道挖掘后的受力加上巷道挖掘前的受力是整体的应力，我们可以借助以下公式进行表示[σ]=[σ0]+[σ′]。其次，巷道开挖面的截面力是根据空间大小的效应转化的，所以具体计算巷道的各项数据需要结合空间、作用力、以及间距，综合分析得出具体的数学关系表达式，找到煤炭巷道挖掘支护技术的普遍规律。支护力与应力两者之间是成反比例关系的，在开始挖掘之前岩层的内部是没有任何变化的，这时候p1=p2，伴随着项目工作任务的开展，支护力会逐渐地缩小，岩层的形状也会随之发生改变。

3 巷道掘进围岩纵向变形的支护技术

3.1 支护状态下力学模型

在完成费支护状态下的力学模型后，员工可以按照这一状态下的图纸进行挖掘，巷道岩层的作用力大概有2.175MPa，最初的挖掘面需要使用1.82MPa，前者和后者之间大概有百分之八点六的差距。根据以上的数据我们可以得到巷道的深度，不同的路段需要的深度是不一样的，沉降量也各不相同，举例来说，巷道的终点处需要20mm的沉降量，如果是掌子面，则需要6.2mm，大概占终点处沉降量的30%多。除此之外巷道的挖掘位置也要选择合适的距离，采煤工作面要与前移和后移保证有一定量的接近，开掘前方的位移一定要在掌子面处的位移之下，只有这样才能让巷道具有更合适的空间范围。挖掘的巷道尺寸也要根据建设标准严格规划，伴随着支护技术的加入其半径要在1m之下，此外巷道的半径还要根据岩层的性能进行合适的界定。

3.2 掘进支护方案

针对巷道挖掘面临的问题我们可以采取以下方式进行支护，按照国家要求的标准和规范挑选支护使用的设备规格，其中对于锚杆来说要使用335号，大约长2.4m，间距为1.1m，此外其材质是左旋无纵筋螺纹钢，为了让锚杆更具稳定性，可以在锚杆上增加两个树脂材质的锚固。锚固的力度要选择合适的范围，最好大于105KN，其拧紧力要保值在300KN至400KN之间。锚索也同样要选择合适的尺寸，最好它可以保持大于1860MPa的破断强度。此外其他性能也要符合标准如钢筋梯梁与互顶构件，前者焊接的距离要保证80mm，后者护网也要保证100mm的间距，同时网面尺寸4.4m×1.2m，网孔尺寸50mm×50mm都要严谨科学。

3.3 支护效果

所有支护任务完成之后，挖掘工人需要对相应的支护技术做出完整的监测。该项工作的严格落实有助于保障开采员工的生命安全，维护企业的收入盈利。举例来说如果巷道的监测结果如下：巷道的顶层和底层出现了断层，随着挖掘深度的加大，断层逐渐消失。巷道的其他数据表现如下：在4.6mm处事巷道的浅层区域，在巷道的深层部位是2.9mm，两者之和是7.5mm。很明显，顶层的数值偏低，有可能是因为采用了较高强度的锚杆锚索。根据作业过程中出现的位移来看，巷道周边的岩层已经发生了变形。支护的锚杆、锚索有效的发挥了作用，让巷道的两端和顶层保持在一个稳定的状态，提高了支护的质量。

结束语

综上所述，巷道掘进对围岩的影响范围属于在纵向方向上，观察开挖巷道地表的监测点距开挖面，地表沉陷开始趋于稳定，而未开挖巷道地表的监测点距掌子面开始受到开挖影响从而进入沉陷状态；在横向方向上，地表沉降自巷道中线向两侧逐渐减小，且距巷道中线越远，沉降量越小。所以，加强巷道掘进围岩纵向变形的支护技术尤为重要。