丰臣甲
（山西铺龙湾煤业有限公司，山西 大同 037100）
矿井生产过程中，由于地质条件限制，围岩控制技术未根据地质情况进行优化改进，导致巷道围岩出现变形现象时有发生。巷道围岩中存在泥质胶结岩层时会发生离层，围岩变软，整体稳定性变差，导致巷道变形、垮落。关于泥质胶结岩层中井巷工程、理论问题研究成果颇多，陈晓斌等人基于线弹性力学及岩土力学理论建立了红层泥质胶结物干缩力学模型，并对其中敏感性指标进行了考察；
韩学辉等人通过实验研究分析了泥质砂岩胶结量对砂岩弹性参数的影响，针对区域内胶结砂岩力学特性进行了实验研究；
其他专家学者分别从工程角度、理论力学角度进行了研究，以往的研究成果均具有一定的地域、设备及研究方法局限性[1-11]。铺龙湾矿8102工作面巷道掘进过程中围岩变形严重，为解决该问题，结合巷道围岩地质情况，基于弹性力学理论建立数学模型进行数值模拟研究，分析巷道支护存在的不足，优化支护措施。
山西铺龙湾煤业有限公司8102工作面为备采工作面，目前处于巷道掘进状态；
工作面采用走向长壁机械化采煤法，一次采全高；
工作面平均埋深450 m，走向长1 700 m，面宽180 m。8102工作面开采8#煤层，平均煤层厚度3.9 m，无突出危险性；
煤层顶板以粉、细砂岩为主，存在泥质胶结现象，整体稳定性较差，为较软—半坚硬岩层，底板岩层为粉砂岩、泥岩，泥岩胶结。
巷道断面为矩形，宽度5.8 m，高度3.2 m，支护方式为锚杆、锚索支护措施，巷道支护情况如图1所示。根据现场观测，支护措施实施完成后顶板变形严重，弹性形变周期为30天，30天后顶板进入破碎阶段，支护区域出现垮落现象。
图1 巷道支护
针对该巷道已经出现围岩严重破坏现象，需对围岩支护应力、应变规律进行分析。数值运算基本假设：
1）围岩为均匀介质，顶板、煤层、底板均为均匀介质，不考虑围岩中水、瓦斯等流体渗流作用，不考虑温度对围岩的影响。
2）顶板承受载荷均匀，根据计算结合实测数据，顶板载荷为21 MPa。
3）模型底部、左、右帮应力情况为固定约束；
现场抽样检测本批次锚杆单根极限锚固力为190 kN，锚索单根极限锚固力为360 kN。现场观测在第21天时出现顶板锚杆断裂，顶板下沉且围岩破碎严重的现象。
为定性、定量分析巷道围岩变形规律，采用COMSOL Multiphysics软件进行围岩应力演化运算，采用软件中瞬态模型进行数值运算，运算步长为1天，整体时间周期为45天。建立几何模型如图2所示。通过数值运算得到第45天围岩总位移变化情况如图3所示。
图2 几何模型
图3 围岩位移总体
根据图3模拟结果可知，巷道围岩最大变形量达到280 mm，主要变形位置为煤层顶板位置。即使采用长度为7 m的锚索结合3 m锚杆同时进行支护的情况下，巷道顶板变形依旧严重；
变形比较严重的位置点主要为巷道顶板及顶板左右两帮3 m范围内，变形区域呈现整体位移下沉；
45天时锚杆、锚索随着顶板围岩下沉出现形变，超过锚杆、锚索弹性形变极限后便会出现锚杆、锚索断裂或脱锚的现象，最终巷道整体垮塌。
根据数值运算结果可知，巷道围岩变形严重，出现整体垮塌现象，主要垮塌区域为巷道顶板，因此，必须加强顶板支护措施，增强竖向支撑力。原支护措施中锚索规格为ϕ21.8 mm×7 000 mm，锚杆规格为ϕ22 mm×3 000 mm；
顶板支护布置，锚索2根，锚杆3根，左右两帮分别设置锚杆3根；
锚网规格为200 mm×200 mm，托盘规格500 mm×500 mm，安设完毕后进行喷浆。该支护措施无法满足支护需求，需进行优化。
因巷道主要形变为竖向形变，为增强竖向支撑力，拟定采取增设U型钢支护、增加锚杆支护密度，优化后的支护措施如图4所示。
图4 优化支护措施
具体优化措施如下：
（1）锚杆支护优化措施。增加锚索数量，原先顶板锚索为2根，优化后支护措施增加到6根，增加的锚索分布在原锚索两侧，距离原锚索0.5 m；
原锚索规格为ϕ21.8 mm×7 000 mm，优化后的支护措施中锚索规格为ϕ22 mm×8 000 mm，同时增加了锚索的直径和长度，增加了锚索支护整体强度。
（2）U型钢支护措施。采用U25型钢支架支护，支架间距为800 mm，同时型钢支架之间增设横梁；
U型钢支护不仅仅考虑型钢界面的支护强度，同时需要考虑型钢支护中横向应力整体性，因此必须增加横梁支护。横梁采用工字钢，工字钢选用20#A型钢，均匀分布于顶板，共布置3根。
支护措施实施完成后，对支护区域安设了顶板离层仪，拟定离层仪数据观测周期为1天，总时长60天。观测期内，顶板深部位移量范围为0～21 mm，浅部位移量范围为0～5 mm，整体变形比较小。宏观观测结果显示，未出现巷道整体严重变形现象。
为解决巷道围岩变形问题，对巷道泥质胶结顶板围岩应力及支护措施不足进行分析，拟定优化新支护措施。
1）泥质胶结顶板采用原支护措施会出现围岩严重变形现象，最大变形量280 mm，变形区域为顶板。
2）增强竖向支护措施主要为增设U型钢支护、增加锚杆、锚索支护密度和强度。
3）优化支护措施实施后，巷道围岩顶板再未出现大面积变形、垮落现象，安全可靠，有效控制了巷道围岩变形问题。
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