巷道掘进和回采期间对巷道围岩变形的影响研究

吴巨龙

（晋能控股煤业集团地煤大同有限公司，山西 大同 037004）

引言

锚杆支护作为煤矿巷道的一种主动支护形式[1]，相比于传统巷道支护方式，锚杆锚索联合支护不仅能够明显提高巷道的支护效果，降低支护成本[2]，还能为快速掘进采煤提供便利条件[3]。锚杆支护的理论有：悬吊理论是将巷道顶部比较脆弱的围岩通过悬吊作用于坚硬的围岩上，能够很好地控制薄弱岩层的下沉现象，实现支护效果。组合梁理论，巷道的支点不仅可以用于承受自身的重量[4]，还可对顶部岩石发挥支撑作用，可借助于锚杆形成的锚固力加大岩层间的摩擦力，提升抗剪切应力。压缩拱理论，可以在锚杆两端形成锥形的应力区域，若锚杆间间隔又比较小时，不同锚杆间会形成重叠的锥形区域，使巷道连续出现压缩拱现象，可提升围岩的强度，还可加强巷道的支撑水平。最大应力机制，其中，水平应力是影响巷道围岩稳固的关键因素[5]，当巷道轴线和最大水平应力处于垂直时，巷道受水平应力作用最大；当巷道轴线和最大水平应力处于平行时，巷道受最大水平作用最小；当巷道轴线和最大水平应力有一定夹角时，巷道呈现一边应力集中，且更容易出现损坏变形。松动圈理论，是利用巷道锚杆支护，围岩形成的应力大于相对应的强度产生的破坏能力，使松动圈产生，不仅可以避免岩石产生的碎胀力，还可防止围岩形成的松动圈不断变大[6]。能量支护理论，当巷道出现形变或者破坏现象时，能够释放产能能量，确保巷道能够始终处于均衡的状态[7]。为提高巷道支护的效果，本文引入“三高一低”锚杆支护设计理念，即高强度、高可靠性、高刚度和低支护密度[8]，并重点分析支护后巷道在掘进和回采期间巷道围岩的变形情况，来提升巷道围岩的稳定性。

1 锚杆支护技术方案的确定

本文以某矿为对象，巷道断面宽度是5 000 mm，巷道中间高是3 000 mm，且煤层平均倾角是14.5°，煤层老顶为细沙岩，直接顶和直接底均为泥岩，采用“三高一低”锚杆支护设计方案，即高强度、高可靠性、高刚度和低支护密度[9-10]，具体设计方案为：顶部最右方锚杆垂直于顶板巷道方向且成15°角布置，用来加强顶板角部锚杆支护的效果；两帮最上方和下方的锚杆均与水平方向成20°角布置，用来加强帮部角部锚杆支护的效果。锚杆支护参数为：锚杆排距为900 mm，对于右帮高帮锚杆，锚杆间距是700 mm，数量6 根，长度是2 500 mm；对于左帮低帮锚杆，锚杆间距是700 mm，数量是4 根，长度是2 500 mm；对于顶板锚杆，锚杆间距是800 mm，数量是7 根，长度是2 800 mm，锚索数量是2，锚索间距是3 m，锚索长度是6 300 mm。巷道断面形状为斜顶梯形，且两腰均与底边垂直，具体的锚杆支护断面示意图如图1 所示。

图1 巷道锚杆支护断面示意图（单位：mm）

为便于分析巷道在掘进和回采期间巷道围岩的变形情况，得到锚杆支护技术对巷道稳定性的控制效果，本文选用十字交叉方法对巷道位移的断面进行监测，如下页图2 所示，具体步骤为：将A、B 之间采用绳子拉紧测量，C、D 之间采用钢卷尺拉紧测量，测量得到CD 与CO 的大小值；将C、D 之间采用绳子拉紧测量，A、B 之间采用钢卷尺拉紧测量，测量得到AB与AO 的大小值；对于作业面回采期间巷道围岩变形测量，监测区间范围为作业面回采的250 m 范围内。

图2 巷道表面位移监测的断面布置示意图

2 对巷道围岩变形情况的分析研究

2.1 巷道掘进期间对巷道围岩变形的影响

图3 为巷道顶底板及两帮位移量随掘出时间的变化曲线。从图3 中可看出，在巷道掘出50 d 时间内，随时间的增长，曲线的变形斜率逐渐减小，这就表明巷道变形速度随时间增长是逐渐减小的，且在掘出50 d 左右，巷道变形量近似于达到稳定状态，顶底板最终位移量大小为348 mm，两帮为318 mm。此外，从图3 中还可看出，当掘出时间为10 d、20 d、30 d、40 d和50 d 时，顶底板位移变化量分别是175 mm、280 mm、309 mm、339 mm 和348 mm；而两帮位移变化量分别是140 mm、216 mm、247 mm、306 mm 和318 mm，由此可见，巷道变形主要集中在掘出后的20 d，顶底板变形量约占巷道整体变形量的80.4%，两帮变形量约占67.9%，因此，巷道变形历经三个时期，即变形剧烈期、缓和期及稳定期，掘出20 d 后，巷道变形相比于20 d 之前的变形量，变化相对较小，即进入缓和期；当到达50 d 后，巷道变形量基本稳定，即进入稳定期。

图3 巷道表面位移随掘出时间的变化曲线

2.2 巷道回采期间对巷道围岩变形的影响

本文从距离作业面250 m 左右范围内对巷道围岩的变形情况进行监测，得到如图4 所示的变化曲线。从图4 中可看出，在距作业面回采的250 m 区间内，可分为非采动影响区、采动影响稳定区以及采动影响剧烈区。

图4 巷道表面位移随测点到作业面距离的变化曲线

对于非采动影响区，测点和作业面距离200 m 以外的区间内，巷道顶底板和两帮位移变形量大小都在20 mm 以内，此区间可以说是不受采动的作用影响；对于采动影响区，测点到作业面距离为100～200 m区间的范围内，巷道顶底板和两帮位移变形量大小分别约是30 mm、130 mm，相比于非采动影响区200 m以外的巷道变形量，出现明显增加；对于采动影响剧烈区，测点到作业面距离100 m 的区间内，巷道顶底板和两帮位移变形量大小分别约是290 mm、900 mm，巷道围岩变形量急剧增加，受作业面采动作用影响比较大。

3 结论

本文以某矿为对象，采用“三高一低”的锚杆支护设计方案，并重点分析支护后巷道在掘进和回采期间巷道围岩的变形情况，得到巷道稳定性的控制效果，结论是：

1）在掘成后的50 d 时间内，巷道表面变形历经三个时期，即变形剧烈期、缓和期及稳定期，巷道变形主要集中在掘出后的20 d 时间；掘出20 d 后，巷道变形进入缓和期；掘出50 d 后，巷道变形进入稳定期。

2）在距作业面回采的250 m 区间内，可分为非采动影响区、采动影响稳定区以及采动影响剧烈区，测点到作业面距离200 m 以外不受采动影响；测点到作业面距离100～200 m 区间内受采动影响明显增加；测点到作业面距离100 m 区间内受采动影响明显。