巷道圍巖失穩(wěn)機理分析

盧萍

摘要：文中提出了巷道失穩(wěn)寬度B_的確定方法，以SA煤礦3107回風巷作為算例，得出結(jié)論是在煤柱寬度是20m時，巷道處于應力集中區(qū)內(nèi)，圍巖變形量大難以維護，產(chǎn)生明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象，此后需預防冒頂事故的發(fā)生并采取合理的加強支護措施。

關鍵詞：巷道圍巖失穩(wěn)；巷道失穩(wěn)寬度

0 前言

開挖煤礦的巷道期間，良好的控制圍巖對礦井的安全十分必要，若控制不當，不但破壞原有的平衡，也會打破圍巖的穩(wěn)定性。近年來，巷道變形嚴重的原因是受到開采深度的影響，使得低壓力增大，進而使原有的巷道出現(xiàn)了形變，擠壓底鼓及片幫，支護能力下降，巷道的穩(wěn)定系數(shù)降低。而對煤礦的巷道進行挖掘或者回采的時候，也會影響巷道圍巖的應力，使得巷道頂?shù)装逡约皟蛇叺膸r體開始形變，且逐步移動到巷道的內(nèi)部空間內(nèi)，長此以往，圍巖的穩(wěn)定性會在形變的影響下外部形態(tài)出現(xiàn)變化，所以做好巷道圍巖失穩(wěn)類型和失穩(wěn)機理分析顯得十分必要，本文主要概述圍巖失穩(wěn)類型和分析失穩(wěn)機理。

1 基于巷道失穩(wěn)寬度的圍巖失穩(wěn)分析

當圍巖發(fā)生變形時從力學變形角度看，通常會出現(xiàn)從最初的穩(wěn)定的彈性時期，之后通過過渡期的塑性發(fā)展到受到破壞的失穩(wěn)狀態(tài)，如圖1所示。

Bmax代表的是巷道失穩(wěn)寬度，通常是用來代表巷道圍巖穩(wěn)定性的目標，當巷道圍巖比Bmax小時，這時巷道圍巖處于一種穩(wěn)定狀況中，反之比Bmax大時巷道就會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。圍巖的兩個變形階段彈性和塑性時期是在巷道寬度Bmax到達頂級數(shù)值時產(chǎn)生的，采用科學的支護方法使圍巖巷道保持彈性及穩(wěn)定數(shù)值范圍內(nèi)；在塑性期內(nèi)的圍巖由于巖石發(fā)生擴展，圍巖的應用力度降低，引起圍巖變形。從其它方面來說，應力狀況的標準可以通過巷道失穩(wěn)寬度Bmax表示。巷道的平衡狀態(tài)被破壞是因為巷道在開挖過程中其寬度比巷道失穩(wěn)寬度Bmax大，造成圍巖的穩(wěn)定構造受到破壞，引起支護與圍巖的支撐作用無法發(fā)揮，進而使圍巖承力構造處于失衡狀態(tài)，同時在每個不同階段發(fā)生過程中巷道圍巖構造的受力和分布狀況都不相同，圍巖的應力分布狀態(tài)也不同，當巷道寬度比Bmax大時，其上述現(xiàn)象更為顯著。

2 工程概況

SA煤礦中煤層厚度達到2.8m，其深度450m，頂層為砂質(zhì)泥巖層，下面為泥巖，3106與3107相連在一起，3107工作面回風巷是文中此次研究的試驗項目，當中有三條采巷道工作于3107工作面，煤柱寬度是20m；其中有四條回采巷道在3106工作面中，煤柱寬度是20m。

由于受到覆巖層振動壓力作用以及巷道圍巖頂層和底處是砂質(zhì)泥巖為軟弱圍巖，強度和應對變形力的作用較差；其次由于受力狀態(tài)和圍巖巷道支護沒有進行科學設計，造成支護力度不能滿足實際工作現(xiàn)場的需求，而降低了圍巖支護的強度；然后由于沒有利用科學的方法設計巷道煤柱的寬度，使巷道在工作過程中受到劇烈的工作強度而使回風巷發(fā)生變形，降低工作效率，進而使礦井的經(jīng)濟效益受到很大的損害。

3 巷道圍巖應力狀態(tài)分析

工作面回采期間，需要注意巷道圍巖的應力和巷道圍巖的形變情況，這與煤柱的寬帶有著直接聯(lián)系。所以說煤柱是控制巷道的一項重要技術手段，進行合理煤柱寬度預留能更好地優(yōu)化動壓巷道圍巖應力分布的同時，使得圍巖的內(nèi)部縫隙發(fā)育度降低，進而圍巖能更加完整，使其承載力更佳。合理煤柱寬度選擇十分必要，煤柱寬度的影響因素分別是圍巖的強度、上覆巖層活動、煤柱的應力。3106的工作面瓦斯尾巷煤柱的高度為20m，在工作面進行回采的時候，會受到上覆圍巖的動力壓強作用影響，使得巷道圍巖出現(xiàn)巨大的形變，特別是底鼓，使得圍巖的裂隙開始高度的發(fā)育，其穩(wěn)定性大大減弱。結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)值，進行模擬分析能了解到，巷道所處的位置正是在側(cè)向應力曲線和應力升高區(qū)的影響范圍內(nèi)。接下來對煤柱的寬度進行分析，以探尋圍巖變形的特征。本文使用的數(shù)據(jù)模擬技術，主要是對不同的煤柱高度下的動力壓強巷道圍巖狀態(tài)進行分析與了解，并比較分析巷道變形情況以塑性區(qū)分布。采用雙巷開挖方法在3106工作面中進行開挖，31061作面中的回風巷和瓦斯尾巷由于壓力作用下而發(fā)生變形現(xiàn)象，這時一些寬度比10m小的煤柱在保護回巷中無法滿足保護巷道的標準規(guī)定，所以本文在進行數(shù)值模擬計算過程中選擇了寬較大與寬度大的煤柱，寬度分別是（10m、12m、14m、16m、18m、20m）、（22m、24m、26m、28m、30m、32m）對巷道煤柱出現(xiàn)下降現(xiàn)象以及應力分布特點、圍巖分布特點、以及變形特點進行了模擬，并針對巷道圍巖受力狀況和受力分布下當煤柱寬度低于20m以下時的煤柱變化規(guī)律。

4 數(shù)值模型建立

3106工作面的數(shù)值模擬計算模型是依據(jù)作業(yè)現(xiàn)象資料以及參考相關數(shù)據(jù)文獻的基礎上建立起來的。在此模型中設置巷道寬度是4.2m，計算模型的大小為130m×4m×60m（長×寬×高），分別由31720單元和40610節(jié)點構成。設置此次模型中的邊界條件是：四周無法實現(xiàn)水平移動，巷底無法實現(xiàn)垂直向上移動，模型上部邊界設置為可進行均勻受力。計算應力值時，依據(jù)埋深390m，容重25 kN/m3進行計算，外加的應力數(shù)值是9.75MPa，覆巖層自身重量通過采用上述方法進行模擬，計算所得的側(cè)向系數(shù)是1.2。3106工作面中回風巷尺寸是通過寬度x高度，其中寬度是4.8m，高度是3.0m；3106工作面瓦斯尾巷尺寸是：寬4.2m×高3.0m。利用Mohr-Coulomb計算模型進行此次數(shù)值模擬計算，計算所得到的各巖層的力學參數(shù)如表1所示：

5 支護方案

利用數(shù)值模擬計算結(jié)果顯示，在3107工作面中的回風巷所采用的支護方法最后尺寸確定為：頂部支護是Φ20mm，長度是2400mm，選擇HRB335預緊力是30KN的左旋螺紋鋼錨桿，每排設置安裝6根，將排與排之間的間距設置為800mm×800mm；在回風巷頂端所使用的錨索尺寸為21.6×8300mm，設置間距為1600mm的每排為3根，排與排之間的距離是1600mm；兩幫幫部使用預緊力達到30KN，長度是2400mm，左旋螺紋鋼錨桿Φ20mm，間排距設置為800mm×800mm，將最底層的錨桿俯角設置成350，每隔2排錨桿打1排2根直徑。21.6×4200mm的錨索，第一根距頂板仰角度100，間距是800mm，第二根距頂層板設置為水平方向，間距為2200mm。

參考文獻：

[1]鄒燦.大冶鐵礦井下開采巷道圍巖穩(wěn)定性分析及控制技術研究[D].中國地質(zhì)大學，2014.

[2]肖迎春.開挖卻荷誘發(fā)巷道圍巖失穩(wěn)特性及支護方法研究[D].昆明理工大學，2016.

[3]葛勇.露井聯(lián)采臺階爆破對地下巷道穩(wěn)定性影響研究[D].北京科技大學，2015.

[4]張?zhí)厝A.急傾斜特厚煤層動壓巷道圍巖穩(wěn)定性研究[D].西安科技大學，2014.