山区煤矿高应力软岩巷道围岩失稳机理

冯家豪 张华 石艳兵 杨宇 杨海澡

（六盘水师范学院 矿业与机械工程学院，贵州 六盘水 553004）

摘要：为解决高应力大变形工程软岩巷道的围岩稳定控制问题，本文利用FLAC三维数值模拟软件，对贵州某矿轨道顺槽巷道围岩变形失稳机理进行了分析，并提出有效巷道围岩支护方案。结果表明：长锚杆+高强锚索+U型钢+注浆的修复方案，优化了工艺流程，降低了巷道失稳风险。

关键词：高应力；软岩；围岩控制；FLAC^3D数值模拟

1 引言

贵州某煤矿煤层顶、底岩性松散断裂，属于强度低、胶结弱、膨胀强、变形大的高应力工程软岩。砂质泥岩层之间的弱层抗剪强度低，遇水时容易发生泥质，不利于巷道的稳定。随着开采深度的增加和应力的增加，该矿大变形软岩支护的技术难度越来越明显。在生产过程中，巷道的变形遭到严重破坏，锚杆支护失效现象严重，包括断裂、托盘失效、粘结失效、锚固失效等，巷道返修率达到该矿巷道总数的50%以上，部分石门、大巷甚至每年需要返修一次。传统的锚杆支护对巷道变形的控制效果不佳，给矿山安全带来了巨大的隐患，同时也增加了矿山支护的成本，严重限制了煤矿的安全高效生产。如何解决高应力软岩开采巷道的支护问题已成为该矿的一个难题。

2 巷道数值模型的建立

该矿1203工作面基本顶为中细砂岩，平均厚度9.8m；直接顶为泥岩、砂质泥岩与6-2煤复合顶板，平均厚12.4m；直接底为泥岩，平均厚度2.55m；基本的为砂质泥岩，平均厚度5.35m。轨道顺槽全长1724m，巷道断面形状为矩形，断面尺寸为净宽×净高=3.5×3.0m。巷道距地表的深度为376~540m，垂直应力约为10MPa，最大水平应力为14MPa。

巷道采用锚网、锚索支护：顶板采用锚杆、锚索支护，两帮为锚杆支护，顶锚杆采用Φ20×2200mm左旋螺纹钢等强锚杆，两帮采用Φ18×2200mm左旋螺纹钢等强锚杆，锚杆间排距为800×800mm，顶锚索规格Φ17.8×6300mm，间排距为800×1600mm。顶板布置2根锚索+5根锚杆，两帮各布置4根锚杆。

根据上述条件，采用FLAC建立数值模型，模型尺寸为：400m×400m×20m，共有20万单元，共214221个节点，模拟工作面及巷道开挖。

3 数值模拟结果及分析

3.1 巷道围岩位移变化规律

根据巷道开挖时间的不同，对巷道围岩的位移规律进行了数值模拟。巷道围岩位移规律的模拟结果如图1所示。

图1 巷道开挖60天后的围岩位移云图

通过分析上述模拟结果，我们可以看出：

（1）随着巷道开挖时间的延长，巷道围岩的位移逐渐增大。当开挖时间为60d时，巷道围岩的位移趋于平缓。

（2）道路围岩的位移主要以屋顶和两帮派为代表。两个组的最大位移发生在肩角附近，最大位移为1.67m，底板的位移相对较小，一般在1m左右。

（3）开挖过程中围岩的变形速度较大。随着开挖工作的不断推进，后期巷道中围岩的位 移变形速度明显减慢，并逐渐稳定下来。

（4）巷道变形表现为巷道顶板下沉，两帮挤压入巷道，底板鼓起。

3.2 巷道围岩应力变化规律

根据巷道开挖时间的不同，对巷道围岩的应力变化规律进行了数值模拟，结果如图2所示。由图可知：

（1）随着巷道的开挖，围岩应力重新分布，围岩应力不断增加。

（2）随着巷道围岩的变形，巷道的围岩有一个应力降低带。巷道顶部为主卸压区，深度约为2m；帮部和底板卸压深度约为1.0m。

（3）从围岩表面到巷道深部，应力分布不断扩大，围岩应力进一步增大。

（4）主应力卸压区出现在松散失效的塑性区。

巷道开挖45天围岩应力分布云图

4 围岩控制方案设计

目前在矿山巷道中采用的支护结构不能满足软岩巷道支护的技术要求。结合该矿巷道围岩的变形特点，提出了长锚杆+高强锚索+U型钢棚+注浆的修复方案，如图3所示。

图3 巷道支护方案示意图

图中锚杆为注浆锚杆、锚索为注浆锚索，以简化注浆工艺。巷道断面形状设计为直墙半圆拱，断面宽度和高度均加大，留出巷道变形所需空间。整体采用U型钢+锚杆索+注浆的支护方式。注浆的作用如下：

（1）注浆可以用来加强围岩性能，也可以用来阻止围岩的裂缝，隔离空气，防止周围岩的风化，防止周围岩石被水湿润，降低围岩的强度。

（2）注浆后，浆料与松散破碎的围岩胶结，提高岩体的粘结力、内摩擦角和弹性模量，从而提高岩体的强度，实现围岩本身的一部分支承结构。

（3）注浆后，使载荷均匀地施加在锚喷层和支架上，避免应力集中和支护构件的第一次损坏。

（4）注浆后，作用于顶板的压力可有效传递到两帮，通过支护构件作用于底板。由于组合拱厚度的增加，可以降低底板上的荷载集中，从而减少了底板岩石中的应力，削弱了底板的塑性变形，降低了底鼓和底板的稳定性。有助于巷道两帮的稳定，在底板和两帮稳定的情况下，可以保持顶板的稳定。顶板的稳定性不仅取决于上覆岩层的荷载，还取决于底板和两帮断裂区的稳定性。注浆加固的重点之一是保证两帮和底板的稳定性，从而保证整个支撑结构的稳定性。

5 施工效果

在巷道的设置了8个应力变化监测点。根据应力监测系统的数据，锚杆的应力、顶板与围岩的分离应力较小，顶板的应力变化为1.5~2.6MPa，锚杆应力为1MPa，6号测点几乎没有变化，7号测点上的应力增加了3MPa，8号测点上的应力增加了7MPa，围岩应力监测数据未发生变化。

当测量点与工作面之间的距离100m时，顶板与底板以及道路两侧肋条的交汇处非常小。随着煤层的开采，顶板向底板和巷道两帮的位移逐渐增大。顶底板最大收敛134mm，巷道两帮最大收敛161mm，巷道围岩变形量在安全可控范围内。

施工效果表明，巷道围岩采用长锚杆+高强锚索+U型钢棚+注浆的修复方案，通过确定合理的支护方法和支护参数，使用空心注浆锚杆、锚索支护，严格控制工程质量，可以改变围岩的应力状态，提高巷道支护效果，控制巷道变形，降低高应力软岩巷道的返修率。

参考文献

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基金项目：大学生创新训练项目计划（202110977012）。

作者简介：冯家豪（1999—），男，贵州铜仁人，采矿工程专业在读本科生。