２０１７年第４２卷第２期 Ｖ０１．４２ Ｎｏ．２ 能源技术与管理 Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ６９ ｄｏｉ：１０ ３９６９６ ｉｓｓｎ １６７２—９９４３．２０１７．０２．０２６ 复杂巷道围岩的变形机理与控制策略研究 段超 （同煤集团生产技术处，山西大同０３７００３） ［摘要］为研究大变形情况下的巷道围岩变形机理及控制对策，依据巷道的类型划分和特 点，用理论与实践相结合的方式，根据矿井巷道的支护方式，及时采取措施控制巷 道围岩变形。工程实例表明，采取的支护方式对高应力软岩巷道、大断面斜井穿越 采空区、围岩支护能起到理想的加固作用。 ［关键词］ 不利条件；大变形巷道；围岩控制；变形机理；控制技术 ［中图分类号］ＴＤ３５３＋．６［文献标识码］Ｂ［文章编号］１６７２－９９４３（２０１７）０２－００６９－０３ 开采情况、机械条件等，复杂巷道分为３类：①软 岩巷道。岩石软弱、破碎、松散、膨胀；在巷道中，具 有顶板软、底板软和煤层软的特点。②复杂构造巷 道。在形成地质的历史进程中，由于岩层构造应力 ０ 引 言 随着煤炭资源的开采向深部转移，巷道地压 应力逐渐加大，深部井巷的支护、维护工作也变得 愈加困难 。麻家梁煤矿位于山西朔州市境内， 地质构造为向西倾斜的单斜构造，地表形态略有 起伏。一１ １８６西翼回风大巷变形较大的一段所表 现出的主要特点为底鼓破坏（非对称隆起），如图 １所示。该段岩层倾角在１０。～１５。范围内，拱顶围 岩主要是灰色砂岩，底鼓围岩主要是红层泥岩，底 场的作用与变化，产生了诸多断层不一致的大 小节理裂隙。在逆断层、向斜、背斜轴部、断层尖灭 处都有残余应力存在，对围岩稳定性具有强烈影 响。③高应力大变形巷道。深井巷道指埋深大于 ７００ ｍ，围岩的压应力、剪应力远远超过能承受的 极限值与允许值，使其位于“潜塑性”状况，在围 岩产生大变形时支护愈加困难。 １．２围岩变形及结构 鼓隆起最大处发生在排水沟附近的行人台阶一 侧，最大位移量８００ ｍｍ，造成行人台阶倾斜严重。 在多重复杂地质条件下，拥有高应力结构的 巷道在受到岩体性质、结构构造及压力作用下，围 岩发生变形及构造特征体现在以下３方面： （１）文献［３—４］表明，由于巷道结构性极差，巷 道在不同位置时，出现的裂隙及离层不尽相同，在 对受到严重破坏的岩体结构钻孔加固过程中，常 伴随塌孑Ｌ、卡钻等现象。在对围岩位移进行监测 时，体现了围岩变形特性及差异性特点。防止围岩 失稳、控制围岩变形时，需要事先制定好相关的对 策方案，按照相关的规范判断巷道围岩的分类等 图１ —１ １８６西翼回风大巷非对称变形破坏情况 级，对不同等级的围岩实施不同的控制方案。 （２）图２所示２０１６年３—９月１７０ ｄ中麻家 总结分析巷道围岩在不利条件下的变形机 理，通过理论与实践相结合，针对巷道目前的支护 梁矿１４５０５巷道深基点位移监测情况。该工作面 开采４ 煤层，２条顺槽东西方向布置，切眼南北方 向布置；走向总长１ ６４２ ｍ，设计可采长度１ ３４４ ｍ， 方式及存在的主要问题，提出复杂巷道围岩变形 控制对策。 １ 复杂巷道围岩破坏特征 １．１复杂巷道类型 工作面长２５０ ｍ；煤厚平均为８．５ ｍ，采高３．５ １ＴＩ， 采放比为１：２。图２中反映出了巷道围岩不同深 度发生膨胀变形随时间变化情况。从中可以看出， 按照矿山地质概况、地质条件、围岩的特性、 巷道围岩在较高的地应力作用下，不同深度上点 ７０ 段超复杂巷道围岩的变形机理与控制策略研究 ２０１７年４月 的位移随时问的变化趋势相同：均随着时问的增 大而不断增大。但在经历相同的时间时，在围岩深 度较小的情况下（１－４ ｍ位置），巷道围岩变形量 小，不同深度的位移量相差比较大；在围岩深度较 大的情况下（４～６ ｍ位置），测得的位移量随着时 间的变化完全重合。由此说明，在深度较小（１～４ ｍ 位置）时，围岩内部的节理裂隙发育，岩体破碎；而 在深度大于４ ｍ时，围岩碎裂扩容较小，岩体完整 度较高，内部离层裂隙不发育，巷道形成了比较稳 定的结构 ８０ ７。Ｏ １０ ３０ ５０ ７０ ９０ ｌ１０ １３Ｏ １５０ １７０ 时间／ｄ 图２深基点位移监测情况 （３）复杂巷道将会发生严重的破坏，且破裂 范围广。这种情况在埋深大时特别明显。深部岩体 发生了由脆性向延性转化过程，围岩强度降低了， 塑性变形增大，裂隙发展剧烈；受到埋深、应力的 不断影响作用，围岩破碎严重，变形加大，出现开 裂的情况是时常发生的。根据现场中围岩松动实 验数据显示，松动圈范围为４～５ ｍ，多则会达到 ５～７ ｍ。 ２围岩的变形 矿井巷道围岩的变形受多种因素的影响，是 多种因素相互作用的结果。 ２．１ 高应力大变形破裂 在埋深大、地质复杂的构造区域，地应力和构 造应力的增加使得围岩时刻处于高应力状态，聚 集了巨大的能量，开挖巷道会破坏原有应力场，改 变围岩的应力状态，使得围岩的强度和稳定性严 重降低。巷道内部的某些应力及位移的长时间巨 大变化将会形成一种释放效应，造成围岩大变形 破坏和冲击严重，不利于巷道的正常使用及安全 生产。 ２．２底鼓型巷道失稳 对回采巷道底板不重视、对底角的加固不到 位，在巷道顶板压力传递到底板岩层时，将会产生 严重的应力集中，形成围岩剪切滑移，促进底板塑 性区的扩大，加剧围岩的破裂松动；在底板出现严 Ａｐｒ．，２０１７ 重的巨大变形时，易导致巷道失稳。巷道底板作为 释放能量的主要通道，会形成严重的底鼓，一旦巷 道丧失承载力，将会导致顶板下沉。 ２．３采动巷道的变形 采动过程即为岩体的卸荷扰动过程。长期的 采动造成岩体反复多次的卸荷扰动，由卸荷扰动 形成的扰动应力场与原岩地应力场相耦合造成围 岩的应力重新分布，也就是在各个工作面区域附 近造成应力集中现象，使得巷道支护相对薄弱的 位置率先发生较大变形甚至失稳破坏。随着开采 的不断推进，扰动应力场不断地交替影响，造成围 岩产生较大的变形，围岩松动圈半径增大，巷道浅 层围岩容易发生破坏失稳现象。通过对巷道回采 过程的应力分布数值模拟结果分析可以判断，巷 道的围岩应力场受分布于底板中的超前支承压力 的影响较大，直接诱使底板产生显著变形。图３给 出了巷道左右两帮及顶底板的环向应力的变化情 况。从中可以看出，该巷道左右两帮的环向应力变 化相对于顶底板环向应力变化更为显著，预示着 巷道左右两帮先发生变形失稳的可能性比顶底板 更大。这主要是因为巷道底板的水平及垂直应力 增量在底板围岩中的传递不同步所造成的。工作 面若不断推进，则巷道左右两帮的破坏也将更加 剧烈，延伸至巷道的左帮顶角与右帮底角，进而诱 发巷道顶底板失稳破坏。 辍 测点相对Ｔ作面水平距离，ｍ 图３巷道环向应力变化情况 ３不利条件下的大变形巷道控制 ３．１关键控制要点 （１）保证围岩的整体性，提升围岩的承载力。 开挖前，巷道在高应力持续作用下。会处于半塑性 或塑性情况；开挖后，会出现松动、破裂，要用锚 网、锚索、注浆等支护方式来加固岩体，提高其强 度和承载力，减少其变形量，提高稳定性。 （２）对围岩环境进行不断地改进，减少围岩 应力集中程度。制定合适的加同措施进行支护，使 围岩在应力作用下，逐渐南双向转向三向应力状 ２０１７年第４２卷第２期 Ｖｏ１．４２ Ｎｏ．２ 能源技术与管理 Ｅｎｅｒ￣Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ７１ 态，全面地释放能量。 （３）加快支护措施的实施，抓住对一次和二 次支护方式的改进。一次支护指对围岩进行适当 的让压，二次支护指对一次支护后松动区的岩体 加固。二次支护对保证一次支护措施的效果将是 十分重要的，主要靠监测、控制围岩的变形来实 施。 ３．２高应力软岩巷道的“预应力锚索＋锚喷网＋ 注浆”综合支护 麻家梁煤矿新开运输斜井长１ ６００ ｍ，是改扩 建控制性工程。该斜井需横穿多个差异较大的地 质地段，包括岩体较为松散的５煤层、６煤层采空 区。斜井在掘进到该采空区时发生冒落的可能性 较大，若在此处不采取合理的支护措施，很容易诱 使主斜井筒失稳破坏。 对麻家梁矿地质条件进行分析后，鉴于巷道 破坏情况，在对巷道进行翻修后，采取了“预应力 锚索＋锚喷网＋注浆”的综合支护措施，相应的 支护措施如图４所示。 图４巷道支护与加固方案 试验段巷道围岩监测结果如图５所示。从图 ５可知，顶底板之间的位移量相差１２２ ｍｍ，位移 移动速率为小于１ ｍｍ／ｄ。表明采取锚杆、喷浆、锚 索、注浆等加固措施可变形，尤其是底板连体 锚索和注浆技术，控制变形效果好。 １４０ １２０ §１００ ８０ 蚓 ６０ ４０ ２０ ０ ２５ ５０ ７２ １００ ｌ２５ １５０ １７５ 时间，ｄ 图５试验段巷道围岩监测曲线 ３．３大断面斜井穿越采空区松散岩体支护 根据巷道围岩地质条件以及监测情况，结合 理论、实际及数值模拟，提出采空区中的主要防护 手段： （１）支护材料选取Ｕ３６型钢支架，节点间是 通过刚性连接。 （２）采取底拱连锁梁设备，主要有连锁梁和 反底拱，连锁梁平行布置，反底拱与连锁梁垂直搭 接。 （３）混凝土厚度为３５０ ｍｍ。 （４）注浆厚度为３ ｍ。围岩变形情况如图６所 示。Ｕ型钢刚性支架能产生较大的初期支护力，受 力均匀、不出现应力集中现象，提高承载力，保证 挖掘有序、顺利地进行，有利于实现围岩的整体稳 定 霎 ｛ ４５ ３５ 图６井筒围岩变形情况 ４结语 通过分析复杂巷道围岩存在的主要问题，提 出保证围岩的完整、提高围岩承载力、改进围岩所 处的环境，减少应力集中，把控好支护时机，采取 柔性与刚性支护并用的加固围岩的措施。研究结 果表明，提出的“预应力锚索＋锚喷网＋注浆”综 合加固围岩技术、大断面斜井穿越采空区松散岩 体加固技术和“Ｕ型钢＋锚索”加固技术，有利于 提高围岩的完整性和稳定性。 ［参考文献］ ［１］余伟健，王卫军，文国华，等．深井复合顶板煤巷变形 机理及控制对策［Ｊｊ＿岩土工程学报，２０１２，３４（８）： １５０１—１５０８． ［２］余伟健，高谦，张周平，等．深埋大跨度软岩硐室让压 支护设计研究［Ｊ］．岩土工程学报，２００９，３１（１）：４０—４７． ［３］王卫军，袁越，余伟健，等．采动影响下底板暗斜井的 破坏机理及其控制［Ｊ］．煤炭学报，２０１４，３９（８）：１４６３— １４７２． ［４］卫军，侯朝炯．回采巷道底鼓力学原理及控制研究新 进展［Ｊ］．湘潭矿业学院学报，２００３，１８（１）：１７一ｌ９． ［作者简介］ 段超（１９９３一），男，助理工程师，毕业于太原理工大学 阳泉学院，主要从事煤矿开采、生产技术管理等工作。 『收稿日期：２０１７—０３—１１］
