高应力扰动破坏区巷道围岩稳定性控制研究.pdf

第 卷第期 年月山西煤炭 文章编号：（）犇 犗 犐：高应力扰动破坏区巷道围岩稳定性控制研究李本奎，常立宗（北方爆破科技有限公司，北京 ；河北海润工程勘察设计有限公司，石家庄 ）摘要：高应力扰动破坏区巷道围岩裂隙发育，其巷道内部的支护结构易受施工与环境的影响而失稳破坏，因此加强对高应力扰动破坏区巷道围岩的稳定性控制至关重要。针对某矿 工作面的地质特征，采用现场实测方法对采动过程中围岩裂隙的发育特征进行分析；结合采动机理分析与数值模拟研究，对原支护方案进行了相应优化；将优化方案应用于抽采巷中，并通过工程监测对其围岩稳定性进行评价。结果表明：采用优化方案支护后，两帮载荷相近，不对称性得到较好控制，顶帮锚杆受力在合理范围内；顶板锚索的工作载荷峰值下降至 ，减为屈服载荷（）的 ；测站顶底板变形量、两帮移近量较小，抽采巷围岩变形得到稳定控制。关键词：高应力扰动；采动破坏；裂隙原位探测；巷道支护优化中图分类号：文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（犗 犛 犐 犇）：犛 狋 犪 犫 犻 犾 犻 狋 狔犆 狅 狀 狋 狉 狅 犾 狅 犳犚 狅 犪 犱 狑 犪 狔犛 狌 狉 狉 狅 狌 狀 犱 犻 狀 犵犚 狅 犮 犽犻 狀犎 犻 犵 犺犛 狋 狉 犲 狊 狊犇 犻 狊 狋 狌 狉 犫 犪 狀 犮 犲犉 犪 犻 犾 狌 狉 犲犣 狅 狀 犲犔 犐犅 犲 狀 犽 狌 犻，犆 犎 犃 犖 犌犔 犻 狕 狅 狀 犵（犖 狅 狉 狋 犺 犲 狉 狀犅 犾 犪 狊 狋 犻 狀 犵犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔犆 狅，犔 狋 犱，犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪；犎 犲 犫 犲 犻犎 犪 犻 狉 狌 狀犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵犛 狌 狉 狏 犲 狔犪 狀 犱犇 犲 狊 犻 犵 狀犆 狅，犔 狋 犱，犛 犺 犻 犼 犻 犪 狕 犺 狌 犪 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，：，（），犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；收稿日期：作者简介：李本奎（），男，安徽六安人，硕士，工程师，从事矿山开采研究工作，：引文格式：李本奎，常立宗高应力扰动破坏区巷道围岩稳定性控制研究山西煤炭，（）：，（）：煤矿开采逐渐向深部发展，开采条件日趋复杂，在靠近地质构造区的巷道中，受高应力扰动破坏的影响，巷道中的围岩裂缝多，支护结构断裂，巷道围岩发生大变形，对矿井的安全生产造成了很大的影响。因此，提高高应力扰动破坏区的巷道围岩稳定性对巷道支护优化至关重要 。李德辉等通过数值模拟及实际工程应用，探究了以锚索配合钢拱架的方式进行高应力软岩巷道加强支护的方案；杨亚平等通过从工程地质条件、地应力及采动影响三方面分析支护破坏原因，并提出“中空锚杆钛克网喷射砼支护”等种新型支护方案；王雷等通过建立力学本构模型，得出了高应力区巷道受动压影响的围岩应力场范围，为深入分析高应力区巷道围岩稳定性提供了依据；孟庆彬等建立了弹塑性力学模型，总结了支护抗力对围岩塑性区的影响；张志明等基于对围岩节理、裂隙的统计分析，制定了相应的围岩控制措施；赵飞等针对强动压高水平应力巷道支护难题，采用了高强预紧力锚网索组合支护；李国盛等通过力学分析手段确定了注浆对巷道围岩支护的提升作用，针对受采动影响频繁的巷道，采用“锚杆锚索浅深注浆”的联合支护方法；徐向东等 通过统计分析松散破碎区与裂隙区的分布规律确定了合理的巷道宽高轴比及围岩应力；吕坤 通过建立特厚煤层受二次采动影响的力学模型，结合数值分析和现场监测，提出了巷道分次支护方法；李光等 采用现场调查与数值模拟计算相结合的方法提出，在支护方式中增加型钢支架、补充底部支护、增大锚杆长度和减小锚杆间排距均能不同程度地改善支护效果。综上所述，目前关于高应力扰动破坏区巷道围岩变形机理、支护理论与技术方面的研究已经取得了较大进展 ，但仍需要针对具体工况进行具体分析。在此，以汾西某矿工作面高应力扰动破坏区巷道为研究对象，结合现场实测的采动过程中巷道围岩裂隙发育特征，采用数值模拟对原支护方案进行了参数优化，确定优化方案；然后，将优化方案应用于此工作面留巷中，通过工程监测对其围岩稳定性进行评价，同时与原方案支护下的巷道围岩稳定性进行对比，进一步验证了优化方案的合理性。工程概况汾西某矿 工作面煤层厚度为 ，总体位于一单斜构造之上，埋深 ，附近含有多个断层。工作面顶底板岩层分布情况如图所示，围岩性能如表所示。工作面位于该矿三采大巷北翼，西侧为 运巷和 专用瓦斯抽采巷。其中，抽采巷沿煤层顶板掘进，断面为矩形，净宽 ，净高 ，属于下一采区预留运输巷，如图所示。表煤层顶底板岩性特征 顶底板名称 岩石名称 厚度岩性特征老顶细砂岩 深灰色细粒砂岩，含黄铁质结核，坚硬，水平层理，层面含有机质及云母片。直接顶泥岩 灰黑色泥岩，性脆，中厚层状，半坚硬，含植物根茎化石及菱铁矿结核。直接底泥岩 灰黑色泥岩，薄层状，具滑面，裂隙发育，含植物化石。老底细砂岩 浅灰色细粒砂岩，夹粉砂岩薄层，下部裂隙发育。图地质柱状图 图巷道位置关系图（单位：）第期李本奎，等：高应力扰动破坏区巷道围岩稳定性控制研究抽采巷具体断面原方案支护情况如图所示。顶锚杆采用 左旋无纵肋螺纹钢锚杆，间排距为 ；帮锚杆采用 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为 。锚索采用 高强度低松弛预应力钢绞线，采用“一二”布置，第一排锚索在巷中线上布置一根，第二排锚索在距巷中线左右 处各布置一根，排距为 。图原方案支护图（单位：）通过理论分析可知，抽采巷支护结构动态载荷受采动影响明显，锚杆（索）载荷采动影响增强系数达 ，导致部分锚杆动态最大载荷达到 ，超过 螺纹钢屈服极限 而发生破断，巷道围岩有失稳破坏风险；两帮支护结构动态载荷具有明显的非对称性，煤柱帮支护结构载荷较实体煤帮高 。为了能够全面掌握巷道顶板不同位置处的煤岩结构特征，在抽采巷道共布置组顶板窥视钻孔测点。其中，测孔布置在超前回采面 顶板中心平整处，窥视结果如图所示；测孔布置在超前回采面约 靠近实体帮顶板平整处，窥视结果如图所示；测孔布置在超前回采面约 靠巷道煤柱帮的顶板平整处，窥视结果如图所示。图巷道顶板中央钻孔窥视图 图巷道实体帮肩角钻孔窥视图 图煤柱帮肩角钻孔窥视图 钻孔窥视结果表明，抽采巷顶板浅部围岩较破碎，微裂隙较多，且分布有明显的纵向裂隙和环向裂隙，发育程度普遍较高。此外，巷道顶板中央和煤柱帮侧顶板围岩破碎范围、裂隙发育程度较实体煤帮侧围岩略大，巷道顶板整体破碎程度较高，结构较为松散，破碎带分布深度较广，在顶板浅部与深部均有严重破碎带存在。因此，顶板整体结构强度较低，巷道稳定性较差。山西煤炭第 卷支护方案优化研究 支护优化方案及数值建模结合钻孔窥视结果，在原支护方案的基础上对巷道支护结构进行优化，提出以下个方案。）优化方案：在原支护方案基础上，将顶板锚索改为“三二”布置，即在原顶板单根锚索两侧各补打一根 锚索，补打锚索距巷中线 。两帮每隔一排锚杆各补打一根锚索，距顶板 ，补打锚索为 ，在顶板适当位置补打锚杆，每两排锚杆须补足根，锚 杆 型 号 由 原 改 为 。）优化方案：在原支护方案基础上，锚杆间距缩小至 ，锚杆排距减小为 ；锚杆型号由原 改为 。）优化方案：在优化方案的基础上，顶锚杆和帮锚杆将原支护的间排距改为 ，同时锚杆型号由原 改为 ，顶锚索直径由 改为 。根据相关地质资料及岩石力学参数（表），建立 的 数值模型，如图所示。将抽采巷最大埋深设置为 ，模型顶部施加 压力，且受附近断层构造影响，水平应力影响显著，因此侧压系数取。将数值计算结果通过位移、应力、塑性区等方面进行比较，提出合理化建议。表抽采巷顶底板力学参数表 煤岩名称层厚密度（）抗压强度 抗拉强度 抗剪强度 弹性模量 泊松比粉砂岩 细砂岩 粉砂岩 细砂岩 中砂岩 细砂岩 泥岩 煤 泥岩 细砂岩 砂质泥岩 图数值模型 优化方案数值模拟结果 巷道围岩垂直应力分布图为抽采巷围岩垂直应力分布云图。从图中可以看出，巷道底板表面所承受的垂直应力最小，其次为顶板，两帮围岩深处所承受的垂直应力最大，且巷道所承受的垂直应力均表现出压应力性质。将垂直应力小于开采前原岩垂直应力的区域称为应力衰减区，图为不同支护方案下巷道顶板应力衰减区对比曲线。应力衰减区越小，巷道围岩完整性越高，对力的承载能力越强。从图中可以看出，在方案的支护下，巷道顶板围岩的应力衰减区最小，在方案的支护下顶板围岩应力衰减区仅次于方案支护时的应力衰减区，在原支护方案下顶板围岩较破碎，对力的承载能力较低。方案对顶板的支护效果略优于原方案。从顶板应力衰减区分布范围来看，方案对巷道顶板的支护效果最好，其次为方案，原方案对巷道顶板的支护效果最差。第期李本奎，等：高应力扰动破坏区巷道围岩稳定性控制研究图原方案及种优化方案的巷道围岩垂直应力分布云图 图顶板围岩应力衰减区随支护方案的变化曲线 图 为种方案支护下巷道两帮所承受的最大垂直应力分布曲线。巷道帮部围岩完整性越好，承压能力就越强。从上图中可以看出，在方案的支护下巷帮的承压能力最强，方案支护下巷帮的承压能力与方案支护下时的承压能力大致相当。在原方案的支护下，巷帮的承压能力最弱。图 原方案及种优化方案的巷道最大垂直应力变化曲线 巷道围岩变形量图 为抽采巷在不同支护方案中，处于 埋深时的巷道围岩垂直位移分布云图，图 为不同支护条件下的顶底板位移变化对比曲线。可以看出，在种优化方案的支护下测站顶底板收敛量与原支护方案相比均有所下降，尤其是方案的支护与其他方案相比，巷道顶底板围岩变形控制效果最好，方案的支护效果仅次于方案，方案支护下巷道顶底板收敛量略低于原支护方案，原方案对巷道顶底板围岩的稳定性控制效果最差。图 原方案及种优化方案垂直位移分布云图 山西煤炭第 卷图 种方案巷道顶底板变形曲线 巷道围岩塑性区分布图 为抽采巷在不同支护条件下，处于 埋深时的巷道围岩塑性区分布图。可以看出，在原方案及种优化方案支护下的巷道围岩主要以剪切破坏为主。其中，在原支护方案下巷道围岩剪切破坏程度最大，在方案支护下巷道围岩的剪切破坏程度最小，其次为方案。原支护顶板和两帮塑性区围岩强度减小导致锚杆（索）锚固效果减弱。图 为不同支护方案下巷道围岩塑性区破坏范围对比曲线。在巷道轴向方向 测点处方案、方案和方案支护下的测站围岩塑性区分布范围与原支护方案支护时相比，分别减少了 、和 ，方案和方案更利于维持巷道稳定。图 原方案及种优化方案巷道围岩塑性区分布图 图 原方案及种优化方案巷道围岩塑性区破坏范围对比 优化工程方案应用 现场应用及监测基于数值模拟分析结果，最终选择优化方案作为最优方案进行工程应用。制定的巷道围岩控制方案如图 所示。对该优化方案的支护效果进行现场监测，测站布置主要包括激光测距仪、锚杆测力计、锚索测力计等。在顶板共安装两个锚索测力计和两个锚杆测力计，在左右两帮分别布置两个锚杆测力计和个多点位移计，两帮的仪器安装位置相同，测站布置如图 所示。矿压监测结果 测站锚杆受力监测结果图 为采用优化方案后测站锚杆工作载荷随回采距离的变化曲线。由图可知，在工作面推进至超过测点 期间，顶板和两帮锚杆工作载荷出现了小幅增长；自工作面超过测点 期间，测站锚杆受采动影响较明显，顶板及煤柱帮、实体煤帮锚杆测力计分别增加了总增长量的 、和 ，之后测站锚杆受力趋于平稳。顶板、煤柱帮、实体煤帮锚杆的工作载荷峰值分别为 、，为屈服载荷（）的 、和 ，锚杆受力控制在屈服破坏范围以内。第期李本奎，等：高应力扰动破坏区巷道围岩稳定性控制研究图 优化方案支护图（单位：）图 测站布置示意图（单位：）图 采用优化方案后测站锚杆工作载荷随回采距离的变化曲线 测站锚索受力监测结果图 为支护采用优化方案后测站顶板锚索工作载荷随监测时间的变化曲线。由图 可知，顶板锚索的工作载荷在工作面推进至超过测点 期间增幅较小；工作面自超过测点 期间，测点锚索的工作载荷增加了总增长量的 。随着工作面继续向前推进，工作载荷的变化趋势逐渐趋于平稳；采用优化方案后，顶板锚索的工作载荷峰值下降至 ，为屈服载荷（）的 ，锚索工作载荷与优化前相比显著降低。图 采用优化方案后测站锚索工作载荷随回采距离变化曲线 测站围岩变形监测结果图 为采用优化方案后测站顶底和两帮围岩变形随监测时间的变化曲线。由图可知，采用优化方案支护后，随着工作面逐步向前推进，测点处顶底板和两 帮的 变 形 量在 工作 面 推 进 至 超 过 测 点 处期间，顶底板和两帮的变形量仅有小幅增加；工作面超过测点 期间，顶底板和两帮的变形量显著增加；超过测点 后，随着工作面推进，变形量增长趋于平缓，表明采用优化支护后，巷道围岩变形得到有效控制。图 采用优化方案后测站顶底板和两帮围岩变形随回采距离的变化曲线 图 为采用优化方案后测站两帮变形量随回采距离的变化曲线。由图 可知，采用优化方案支护后，随着工作面逐步向前推进，测点处煤柱帮和实体煤帮的变形量一直呈增加趋势，在工作面推进至超过测点 处期间，煤柱帮和实体煤帮的位移量仅有小幅增加；工作面超过测点 期间，煤柱帮和实体煤帮的位移量显著增加，增加量占总增长量的 和；超过测点 后增长趋于平缓。最终煤柱帮累计位移量为，实体煤山西煤炭第 卷帮为，表明两帮围岩变形量在巷道支护优化后大幅减少，两帮围岩不对称变形得到了较好控制。图 采用优化方案后测站两帮变形量随回采距离变化曲线 结论）顶板围岩原位窥视结果表明，受高应力扰动破坏影响，巷道顶板围岩整体破碎程度较高，破碎带分布范围较广，尤其是巷道浅部围岩裂隙发育程度高，出现了一定离层现象。整体来说，巷道顶板结构松软破碎、裂隙发育、稳定性差，易导致支护结构破坏。）依据采动巷道变形钻孔破坏现状，制定了种优化支护方案并对其支护效果进行了对比。结果表明，在优化方案和优化方案的支护下，巷道围岩及煤柱的承载能力显著提升；原方案支护下巷道顶底板收敛量达到了 ，而在优化方案、优化方案和优化方案支护下，巷道顶底板收敛量与原方案相比分别减小了 、；巷道围岩塑性区分布范围与原支护方案相比则分别减少了 、和 。优化方案更利于维持巷道稳定。）结合工程应用现场监测结果发现，采用优化方案支护后，顶板、煤柱帮、实体煤帮锚杆的工作载荷峰值分别为 、，为屈服载荷（）的 、和 ，且两帮载荷相近不对称性得到较好控制，锚杆受力在合理范围内；顶板锚索的工作载荷峰值下降至 ，为屈服载荷（）的 ，表明锚索受力更为合理，可以对顶板岩层起到更好的支护作用，抽采巷围岩变形得到稳定控制。参考文献：许家林煤矿绿色开采理论与技术浅谈山西煤炭，（）：，（）：冯国瑞，李剑，戚庭野，等我国遗煤复采方式与矿压控制研究进展山西煤炭，（）：，（）：李德辉高应力软岩巷道围岩稳定性分析能源与节能，（）：，（）：，杨亚平，杨有林，穆玉生，等金川矿区深部高应力破碎岩体巷道支护技术研究及应用中国矿业，（）：，（）：王雷，王琦，黄玉兵，等深部高应力穿层巷道变形机制及支护技术研究采矿与安全工程学报，（）：，（）：孟庆彬，韩立军，乔卫国，等应变软化与扩容特性极弱胶结围岩弹塑性分析中国矿业大学学报，（）：，（）：张志明，张宇，戴勇，等节理裂隙密集发育岩体隧道开挖断面成形特征统计分析铁道建筑技术，（）：，（）：赵飞强动压高水平应力巷道围岩控制技术煤矿安全，（）：，（）：，李国盛，张辉，蒋帅旗频繁采动影响巷道围岩强化支护技术及其应用中国安全科学学报，（）：，（）：第期李本奎，等：高应力扰动破坏区巷道围岩稳定性控制研究 徐向东，李青锋，唐湘隆深部巷道围岩破碎区及裂隙区分布及其支护控制矿业工程研究，（）：，（）：吕坤采动影响下特厚煤层巷道围岩支护技术煤矿安全，（）：，（）：李光，马凤山，郭捷，等高地应力破碎围岩巷道变形破坏特征及支护方式研究黄金科学技术，（）：，（）：陆晓东，荣鹏，左宇军，等开采扰动下底板巷道应力演化规律及围岩稳定性研究矿业研究与开发，（）：，（）：杨博，柴敬动压叠加效应下巷道底鼓机理与控制技术研究矿业研究与开发，（）：，（）：曾宇，白瑶，李鹏辉，等采空区下近距离煤层回采巷道应力分布规律研究矿业研究与开发，（）：，（）：常立宗，苏学贵，杜献杰，等高应力区巷道支护结构采动破坏特征研究工矿自动化，（）：，（）：（编辑：安娜）山西煤炭第 卷