2-1012回风巷道围岩破坏分析与支护优化

尉宏斌

（霍州煤电集团丰峪煤业有限责任公司，山西 霍州 031400）

1 工程概况

紫晟煤业位于北益昌村南部，地表以丘陵耕地为主，无建筑物主要开采2#煤，煤层平均厚度为3.65m，为近水平煤层。2-1012回风巷所处层位为二叠系下统山西组，2#煤层顶板为软弱破碎顶板，主要为砂质泥岩、局部炭质泥岩伪顶，其特征是：深灰色，泥质结构，薄层状构造，有星散状白云母及黄铁矿；2#煤层底板主要为砂质泥岩，其特征是：灰、深灰色，泥质结构，薄层状构造，有黄铁矿星散。紫晟煤业2-1012回风巷道的断面形状为矩形，断面尺寸4700×3100mm，支护方式为锚杆+锚索。紫晟煤业2-1012回风巷道的断面形状为矩形，断面尺寸4700×3100mm，支护方式为锚杆+锚索。巷道顶板锚索间排距1300×1600mm，尺寸为Ф17.8mm×13500mm，并且每根锚索配4卷2550锚固剂；锚杆的间排距为800×800mm，每侧巷帮布置3根锚杆，锚杆Ф20mm×2300mm，并且每根锚杆配2卷2550锚固剂原支护方案见图1。矿方采用上述支护方案后，掘进过程中巷道围岩变形严重，影响到了巷道的正常使用。

图1 回风巷道原支护方案图

2 围岩破坏分析

2.1 2-1012巷道顶板离层量监测

为了了解原支护体系下2-1012巷道顶板的离层情况，在回风顺槽内距第一联络巷左侧100m、距第一联络巷右侧100m处的两个断面内从巷道开挖初期进行为期40天的顶板离层的监测作业。本次选用GUD500型顶板离层仪进行巷道顶板离层量的监测作业，该离层仪操作简单、读数方便并且技术较为先进。两个断面的顶板离层量监测结果如图2所示。

由监测结果可以看出：距第一联络巷右侧100m处的断面顶板深基点和浅基点的离层量分别为78mm和46mm；距第一联络巷左侧100m处的断面顶板深基点和浅基点的离层量分别为59mm和38mm。从巷道顶板离层量的变化趋势来看，由于巷道开挖初期，围岩应力得到释放，因此顶板浅基点会出现部分膨胀及离层的现象，但是不会对深基点造成影响，后期随着围岩应力的释放，顶板离层量趋于稳定。综上，巷道开挖后必须及时进行支护作业，从而限制巷道开挖围岩应力释放造成的围岩膨胀及离层的现象。

图2 2-1012巷道顶板离层量监测结果

2.2 离层监测分析

从巷道顶板离层量的变化趋势来看，在巷道掘进初期，围岩应力得到释放，但由于巷道浅处支护强度不足，造成顶板浅基点出现部分膨胀及离层的现象[1]；对深基点造成影响几乎没有，原支护方案的锚索虽然对巷道围岩深处支护起到加强的作用，但可能会由于长度过甚，而会造成不必要的资源的浪费。后期随着围岩应力的释放，顶板离层量趋于稳定。

综上，在巷道开掘进后必须对巷道进行加强支护，从而限制巷道因受掘进的影响而造成的围岩膨胀及离层的现象。

3 巷道支护优化方案及实际效果

3.1 支护方案优化设计

通过上述对现场检测与分析，经理论计算后，矿方决定在原支护方案下，通过增加钢带与金属网来对巷道顶板进行控制，其中钢带选择长为4200mm,宽为250mm，厚为3mm的钢板，其破断力约为300kN；锚索选择Ф17.8×8000mm，在巷道中心处打一根锚索，同时在巷道两顶角处，距中间锚索16000mm分别再打两根锚索，偏角为8°，锚索排距选择为1600mm，每根吗锚索采用树脂药卷K2335一支，施加大于120kN的预紧力。

优化设计的2-1012回风巷道支护断面布置14根锚杆、3根锚索、W钢带和金属网联合布置，设计方案是在原设计基础上进行优化，增加巷道两帮支护强度，调整锚索支护角度，锚索预紧力在煤层巷道松动破碎区范围外形成自然平衡拱与围岩作用共同维护巷道稳定[2],优化方案如图3所示。具体优化参数为：①顶板锚杆长度由2300mm增加到2400mm;②两帮锚杆支护密度由3根增加到4根，支护长度由2000mm调整到2200mm；③锚索长度由13.5m减小到8m，调整预紧力锚索支护角度；④W钢带提高巷道顶板整体稳定性。

图3 回风巷道联合支护方案图

3.2 2-1012巷道支护效果数值模拟

为了分析优化支护方案在工程中的应用情况，以紫晟煤业2-1012巷道为研究对象，根据2-1012巷道围岩物理力学参数，同时借鉴类似工况经验，通过Flac3D软件，采用摩尔-库伦本构模型建立紫晟煤业2-1012巷道支护模型，结合现场实测结果，模型X方向施加水平应力17.10MPa，模型Y方向施加水平应力11.3MPa，模型垂直方向施加垂直应力8.30MPa，对模型边界施加位移约束条件，模拟过程中不平衡力＜1.0×10-5N时终止计算。所建模型尺寸为50m×30m×28m。

图4 巷道支护垂直应力分布图

由图4-a可以看出，原支护方案在巷帮2.2m范围出现了应力集中的现象，应力最大达到了12.55MPa，应力集中系数为1.72，应力集中区域已经超出了两帮锚杆支护范围，巷帮受顶板垂直应力影响较大；巷道顶板应力值变化范围为0.4MPa～5.1MPa，顶板应力集中区域在顶板2.5米范围，对顶板影响较弱。由图4-b可以看出，优化方案的两帮1.8m范围出现了垂直应力集中现象，最大应力达到10.5MPa，应力集中区域在两帮锚杆支护范围，两帮巷道承载能力较原支护方案增强，同时在优化后的顶板支护方案，使得两帮的垂直应力减弱，巷道整体稳定性增强。

图5 巷道支护塑性区分布图

由图5（a）可以看出，在原支护方案下，巷道的上顶角产生较大的塑性破坏区，最大深度达到2.1m，由于原方案没有在该区域设置锚杆支护，使得在生产中，巷道顶角会成为安全隐患，需要及时进行支护措施。由图5（b）可以看出，在优化支护方案下，通过增加锚杆长度与巷道顶角的支护，使得巷道顶板与两帮的锚固体形成一个整体，增加了巷道整体稳定性，巷道两帮的塑性区深度约为1.8m，顶角的塑性区约为1.4m，较原支护方案减小了0.7m，优化后的塑性破坏区，均处在锚索结构范围内，支护方案最巷道围岩进行了有效的控制，经过理论验证得出优化方案满足巷道围岩稳定性要求。

3.3 现场应用及效果

得到优化方案后，矿方决定在2-1012回风巷道掘进面后100m的试验段进行优化方案验证，并且在试验段每隔10m处断面按装多点位移计进行检测，检测周期为15d，试验段所得监测数据整理如图6所示。

图6 掘进过程中巷道断面围岩变化

由图6可知，巷道顶板下沉量随时间增长逐渐增大，最后稳定在33.8mm，两帮移近量随时间逐渐增大，最后稳定在9.44 mm。通过对试验段的跟踪监测，发现试验段巷道顶板稳定性良好，巷道顶板没有出现任何裂缝，巷道两帮也没有片帮情况出现。说明在15天内巷道顶板及两帮一直处于不断变形的阶段，随着时间的推移最终位移趋于稳定[4]，围岩变形将得到良好的控制。

综上，在应用优化后的支护方案后，巷道两帮及顶底板的变形均控制在允许范围[5]，能够满足巷道通风及行人的要求，虽然靠近工作面侧的巷帮深基点变形较大，但是整体性良好，因此2-1012巷道支护合理，在掘进过程中能够保证巷道正常安全的使用。

4 结语

紫晟煤业2-1012回风巷道在掘进过程中，发现在原支护方案下，巷道出现鼓出、破碎的现象，围岩变形严重，通过现场分析，发现围岩破坏的主要原因是由于受掘进影响，围岩应力得到释放，使巷道应力强度大于岩石强度，围岩承受围岩力而产生破坏。所以通过锚杆支护配合W钢带和金属网进行巷道顶板控制，并且在巷道顶角处补加锚索，加强对巷道顶板围岩的控制。经过数值模拟及现场应用实测发现该支护体系能够保证2-1012回风巷道正常使用。