复杂应力条件下采区变电所围岩控制技术研究

乔海军 王兵兵

（山西煤炭运销公司四通煤业有限公司，山西 临汾 041000）

在复杂应力影响下，巷道或硐室围岩产生变形，当巷道或硐室围岩变形量较大时巷道断面不能满足通风、运输和行人的需要，严重影响巷道或硐室的正常使用。矿井永久硐室内存放大量的机器和设备，较大的变形导致硐室内设备之间安全间隙不能满足要求，甚至造成设施无法正常运行，需通过扩帮、起底和挑顶等措施进行维护，增加硐室巷道的维护成本。

1 工程概况

四通矿主采二号煤，二号煤层共发育三层，分别为2上、2中、2下。其中，2上煤层平均厚度0.84m，伪顶为深灰色泥岩，厚度约0.1～0.3m，随采随冒；直接顶为深灰色砂质泥岩夹灰色细砂岩，厚度1～2.5m；老顶为K8砂岩，厚度2～8m，浅灰色中细粒砂岩。2上与2中煤层中间夹层为泥质页岩，厚度1.14m，层状发育，极易风化，粘土矿物含量较多，遇水易碎解膨胀。2中煤层平均厚度1.19m。2中与2下煤层中间夹层为泥岩，平均厚度为1.8m，强度较低；2下煤层平均厚1.42m，底板为泥岩。

四通矿五采区变电所位于五采区辅助运输上山和回风上山之间的联络巷内，硐室沿2中煤层顶板布置，硐室距离地面750m。

采区变电所为整个五采区服务，服务年限较长，变电所左侧距离30m为皮带运输上山，在皮带运输上山左侧是停采的回采工作面。变电所平面位置如图1所示。

变电所初期设计为矩形断面，净宽4.0m，净高3.0m，使用锚杆索联合支护,后期在相邻的52下01工作面采动影响以及五采区辅助运输上山扩面翻修的影响下变电所发生持续变形，经过多次返修，巷道变形依然难以控制。变电所底鼓量在500mm左右，两帮回缩平均100～200mm，变电所巷道顶板破碎，下沉量超过1m，渣包现象严重，影响了变电所的正常使用，需要进行翻修和加固。

图1 采区变电所平面位置图（mm）

2 变电所围岩应力与变形数值模拟分析

2.1 数值模型的建立

根据四通矿五采区变电所围岩地质条件和巷道与相邻巷道及工作面的平面位置关系，建立三维数值模拟模型，如图2所示，X方向1500m，Y方向50m，Z方向60m，模型X方向左右边界固定约束，Y方向前后边界固定约束，Z方向x、y、z均固定，模型顶面施加1.875MPa载荷模拟上覆岩层自重，侧压系数取1.2，煤岩体采用库伦-摩尔模型计算。模型中巷道按实际尺寸和支护方式模拟，回采工作面停采线距离巷道30m，如图2所示。

图2 数值计算模型

2.2 变电所围岩应力演化特征

在采区皮带上山、辅助运输上山、回风上山和采区变电所已经掘进完成并进行了相应支护的条件下，模拟原岩应力、上山巷道和采区变电所掘进、回采工作的开采、采区辅助运输上山重新刷扩引起的纵向应力重新分布，在变电所延长方向每2m布置一个测点，模拟结果如图3所示，横轴为采区变电所距离左侧辅助运输上山的距离。

由图可知：（1）巷道开掘前，垂直应力保持原岩应力状态，应力为19.75MPa，上山巷道和采区变电所掘进后，变电所上覆岩层垂直应力普遍高于原岩应力，产生了应力集中，最大应力为37.10MPa，发生在距离辅助运输上山13m位置，最大应力集中系数为1.88；（2）工作面开采结束后，变电所上覆围岩垂直应力稍有增加，产生了应力的二次集中，最大应力为42.5MPa，发生在距离辅助运输上山20m位置，向采区变电所内部移动，应力集中系数为2.15；（3）临近采区变电所的采区辅助运输上山重新刷扩，再一次引起应力集中，最大应力为48.36MPa，发生在距离辅助运输上山8m位置，应力集中系数为2.45，近采空区一侧巷道刷扩和工作面开采产生了应力叠加效应，影响范围为18m左右，之后的应力与刷扩前基本相等；（4）临近采区辅助运输上山一侧的垂直应力明显大于回风上山一侧，说明工作面的回采和辅助运输上山的刷扩对采区变电所临近采空区一侧影响较大。

图3 工作面开采和巷道刷扩前后围岩应力分布

2.3 变电所围岩变形演化特征

图4为工作面开采和巷道刷扩前后变电所顶板围岩最大变形量对比，从图中可以看出：（1）工作面开采前，沿变电所长度方向变电所顶板位移基本稳定，最大位移为50mm左右；（2）回采工作面回采产生的采动压力对巷道变形量影响较大，最大值发生在距离辅助运输上山16m处，最大变形量增加到240.34mm，平均200mm，是开采影响前的4倍；（3）采区辅助运输上山刷扩后，变电所顶板变形量继续增大，最大值发生在距离辅助运输上山10m处，最大变形量增加到458.45mm，平均407mm。

图4 工作面开采和巷道刷扩前后围岩变形量对比

3 变电所变形机理分析

巷道或峒室围岩的性质、埋藏深度、采动影响程度等都是影响巷道或峒室围岩稳定性的主要因素，根据五采区变电所数值模拟结果，对巷道变形机理分析如下：

（1）围岩性质和结构状态对变电所围岩收缩变形起着决定性作用，五采区变电所顶板上方1.14m处为1.19m的2上煤层，原设计变电所支护采用长度2.0m的锚杆，锚杆顶端位于煤层内，严重影响锚杆的支护效果，刷扩过程中发现锚杆几乎全部失去了支护功能也说明了这一点。

（2）从图4可以看出，工作面开采结束后形成的残余支撑压力对变电所围岩变形影响较大，靠近采空区一侧影响更为明显。临近变电所的采区辅助运输上山的二次刷扩造成了二次采动影响，使得变电所围岩变形量继续增大。现场实际观察可以看出，变电所顶板在2上煤层位置产生了离层现象，致使顶板下沉1m以上。

4 现场试验及结果分析

4.1 支护机理

（1）增加变电所上覆围岩的稳定性。注浆加固措施可以增加围岩连续性和稳定性，提高围岩的内粘聚力和内摩擦角，改变围岩力学参数，提高围岩强度，加固顶板。

（2）优化支护参数。锚杆长度由2.0m增加到2.5m，可以使锚杆端部穿过2上煤层，锚固到较稳定的岩层中，加强锚杆支护的效果。

（3）增加底板锚索。底板锚索是解决巷道或峒室底鼓的主要技术措施，采用注浆锚索进行底板锚固的同时，底板带压注浆与顶板和两帮的锚杆注浆形成完整的注浆加固圈，使变电所围岩形成封闭的承载结构。

4.2 支护设计

五采区变电所支护方案如图5所示：沿巷道周边全断面共布置12根锚杆，其中6根型号为ZJS25Ф25×2500mm自进式注浆锚杆，锚固后注浆，加固围岩。其余为Ф22х2500mm左旋高强度锚杆，两种锚杆间隔布置，锚杆间排距为800×800mm。顶板自进式锚杆间排距为1600×1600mm，即每隔一排普通锚杆，设置一排自进式锚杆。顶板布置3条锚索，间排距为1200×1600mm，锚杆锚索和注浆支护结束后，及时喷射厚度为100mm混凝土，封闭巷道围岩,最后复喷50mm厚混凝土，加固围岩。底板选用Ф20×7300mm的中空注浆锚索，间排距为2200×1600mm。

图5 变电所支护方案

4.3 支护效果

采用上述围岩控制技术，五采区变电所翻修14d后，巷道围岩变形趋于稳定，顶板最大变形量98mm，两帮没有变形，最大底鼓量15mm，满足变电所设备布置要求，变电所围岩控制效果明显。

5 结论

（1）通过现场观测和数值模拟分析，变电所上覆岩层中的2上煤层改变了顶板岩层的连续性，破坏了稳定性，同时变电所埋藏较深，原岩应力较大，巷道顶板离层。回采工作面的采动影响和临近的辅助运输上山的二次刷扩产生的集中应力加剧了围岩变形的发展。

（2）通过围岩注浆提高围岩的自承载能力，通过加长锚杆长度改善锚杆支护效果，辅以喷射混凝土封闭巷道等支护手段，设计了巷道支护方案。工程试验结果表明，巷道围岩稳定性加强，围岩控制效果良好。