王涛、汤本洋、刘鹏
安徽恒源煤电股份有限公司五沟煤矿，安徽 濉溪 235131
摘要：以五沟矿72煤为工程地质背景，进行地应力原位测试，地应力结果显示：最大主应力大小在14.85MPa～24.38MPa之间，方位角在NE56o～NE111o之间，近于东西方向；中间主应力大小在7.85MPa～13.68MPa之间，方位角在NE19o～NE66o之间；第三主应力大小在5.329MPa～9.513MPa之间，其方位角比较离散。根据现场地质条件和地应力测试结果提出巷道支护设计方案，并采用数值模拟验证其合理性，为类似地质条件巷道支护设计提供参考。
关键词：地应力；巷道支护设计；数值模拟；
Geostress characteristics and support design of roadway in mining area
Abstract: An in situ test of geostress was carried out using 72 coal from Wugou mining as an engineering geological background, and the results showed that the maximum principal stress size ranged from 14.85 MPa to 24.38 MPa, and the azimuthal angle was within NE56o～NE111oBetween, close to East-West; The size of the middle principal stresses ranged from 7.85 MPa to 13.68 MPa, and the azimuthal angle was within NE19o～NE66obetween;The magnitude of the third principal stress ranged from 5.329 MPa to 9.513 MPa, and its azimuthal angle was discrete.Proposed a lane support design scheme based on the results of field geological conditions and geostress tests, and verified its rationality using numerical simulation to provide a reference for lane support design in similar geological conditions.
Key words: ground stress; Roadway support design; Numerical simulation;
引言
巷道支护对安全回采工作面以及相应运输、通风等有重要意义，进行巷道支护设计就需要了解设计巷道围岩中的地应力，地应力是对巷道围岩力学理论研究和优化设计的基本参数。地应力对于浅埋巷道影响较小，但是随着采深每年增加，地应力影响程度逐渐增大，若在设计时不考虑，会出现支护失效，巷道变形剧烈，甚至出现安全生产事故[1-5]。
地应力对于井巷工程中的巷道支护设计具有重大意义，因此，本文综合考虑五沟矿地质条件和地应力测试结果，在原有设计经验上给出巷道支护设计方案，并根据设计方案进行数值模拟验证是否满足需求。
1 工程概况
五沟矿三上采区主采煤层共有72、81、82共3层，72煤层上距71煤层1.45～17.7m，平均9.62m。厚度0.44～3.84m，平均厚度1.78m，属薄至中厚煤层。可采范围面积为1.67Km2，72煤可采指数为0.82。顶板岩性主要为泥岩，其次为粉砂岩；底板主要为泥岩，其次为粉砂岩。
2 地应力测试
地应力测量可以更好的对围岩岩石力学特性，寻找出其围岩弱化点，可以更好利用围岩承载特性，利用其优点，克服缺点，让巷道设计更加合理可靠。
2.1 测试原理
目前，地应力测试方法有很多，主要测试方法为应力解除法和水压致裂。其中本文的空心包体测量地应力属于应力解除法，其原理是钻孔应力解除技术，就是将一段岩芯在原岩应力状态下解除。
中科院地质力学研究所研发了型号为KX-2003的空心包体应变计。在该应变计中，应变花贴在由环氧树脂制成的空心圆筒上，其中壁厚为3mm，36mm，30mm；在同心圆的直径35mm处沿周每嵌埋一组电阻应变花，3组应变花都是是四个应变片。据此可以推导计算各个应变片上的应变值。
2.2 测试结果
根据相关地质条件和巷道布置情况，选取西翼三上采区-540中部车场1#、2#、3#测点位置如下：
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图1 地应力测孔位置
五沟矿地应力井下测试按照地质钻打孔→安装空心包体→取导向杆→应力解除四个步骤，测试结果如下图：
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图2 三采区地应力解除应力应变曲线
由以上图中可以看出，用应力解除过程大致为三个阶段：
第一阶段，无应力影响区：解除开始到解除的位置范围为0cm~12cm，应变曲线基本处于平缓无变化状态，这个过程主要是取芯钻头还没钻进到应变片所在位置。其中，前4cm的区段内各应变片的数据接近于零，说明此时的取芯钻头尚在喇叭口外缘基本对处于小孔孔壁上的各应变片没有影响；随后的4cm-12cm的区段内，大部分应变片均表现出受压的状态，表明随着不断钻进取芯的首先挤压空心包体应变计，而致使其侧向膨胀，但由于受到周围其他岩石的约束，因此表现出少量的各向受压状态，这属于比较正常的现象，会随着后续的不断取芯解除，这种少量挤压现象会逐渐消失。
第二阶段，应力弹性释放区：当取芯钻头还钻进到至13cm~23cm范围，此时各应变片的应变大小随解除距离的增加迅速增大，表明此时取芯钻头正快速穿过应变片所在的空心包体应力计附近，并将其从完整的岩石上剥离开来，由于应力计外围的岩心边界约束得到撤除，所以空心包体应力计会随着这个岩心进行适当回弹膨胀。
其三，应变稳定区：随着解除距离超过23cm后，各应变片的应变数值趋于平缓，且在很小范围内上下波动，标志着整个包体应力解除完毕。
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总体来看，五沟煤矿三采区各测点均存在最大主应力大于垂直主应力，应力场类型符合σH >σV>σh 型应力场，最大主应力倾角基本处于水平，属于明显水平应力；最小主应力倾角在-21°~-46°，方向向东西方向偏移，因此五沟煤矿以水平构造应力为主，最大主应力方向趋近于东西方向；
五沟煤矿地应力测试深度在-330~-540m范围，测试结果显现随着埋深增加各主应力均增加，其中最大主应力大小在14.85MPa～24.38MPa之间，受上覆岩层深度影响明显，最大主应力随深度变化的应力梯度分布范围在3.3MPa/100m～5.14MPa/100m之间，最大主应力梯度值随测点埋深的增大而增加，最大主应力方位角在NE56o～NE111o之间，近于东西方向；中间主应力大小在7.85MPa～13.68MPa之间，应力梯度分布范围在2.42MPa/100m～8.22MPa/100m之间；中间主应力方位角在NE19o～NE66o之间；第三主应力大小在5.329MPa～9.513MPa之间，其方位角比较离散。
3 支护方案设计
考虑到该工作面采用综采方式回采，根据五沟煤矿已有的煤巷锚杆支护经验，为保证巷道能满足通风、运输等安全生产需要，并考虑煤岩层倾角和巷道变形富余量，回采巷道设计断面为近矩形：B×H=4800×3500mm。
3.1 顶板锚杆支护方案
每排以巷中对称布置Ф20×M20×2400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆。靠帮的两根锚杆与顶板垂直方向成20°夹角向巷帮倾斜布置。锚杆托盘为碟型托盘，规格为L×B×H=140×140×10mm，锚杆拉拔力不小于95kN。锚杆配套采用W型钢带和8#金属菱形网支护锚杆间距×排距=750×800mm ，W型钢带规格为L×B×H=2500×183×3mm，所有W型钢带垂直巷道中线布置。每根锚杆配套1卷Z2370型中速树脂锚固剂端头锚固。锚杆必须紧跟迎头，永久支护距迎头最大距离不得超过1个循环进尺加200mm。
3.2 帮部锚杆支护方案
低帮布置4根，高帮布置5根Ф20×2200 mm的右旋全螺纹高性能锚杆，最上端锚杆距顶板250mm，锚杆间距×排距=750×800mm，顶端锚杆与水平线夹角15°，底角锚杆与水平线夹角30°，右旋全螺纹钢锚杆抗拔力不小于95kN。两帮锚杆配套采用护帮胶带（或梯子梁）和金属菱形网支护；所有护帮材料垂直巷道中线布置。帮部片帮时安装锚杆托盘前可加金属垫片。每根锚杆配套1卷Z2370型中速树脂锚固剂端头锚固。
3.3 顶板锚索支护方案
锚索规格为L×φ=6500（7300）×17.8mm，锚索选用应保证锚固段在坚硬稳定岩层中，锚索托盘规格为L×B×H=250×250×16mm球形托盘,锚索间排距为1500×1600mm，矩形布置。巷道正中线两侧锚索配合2m（或3.5m）长W型钢带垂直巷道中线布置，且应打在两排锚杆正中位置。锚索采用1卷K2370型快速树脂锚固剂和1卷Z2370型中速树脂锚固剂锚固（施工时K2370型在里端，Z2370型在外端），锚索预紧力不小于180kN，锚索垂直顶板布置，钢铰线外露长度150～250mm。
4 数值模拟验证
为了验证上述方案的合理性，结合五沟矿地质条件，数值模型长180m，高130m，巷道沿轴线长150m，巷道围岩网格进行加密，模型共划分为1031520个六面体单元，生成网格节点1077343个。
高帮锚杆数量5根，低帮锚杆数量4根，间排距为750×800mm，顶板锚杆数量为7根，间排距为750×800mm，顶板锚索数量为3根，间排距为1500×1600mm，如下图所示。
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从上图可以看出，随着巷道开挖，围岩应力在原岩应力状态被打破后重新分布，在巷道周围出现应力集中现象，两帮最大移近量分别为225mm，顶板最大下沉量为117mm，最大底鼓量为135mm。巷道围岩塑性破坏范围较小，两帮为1.75m，顶底板分别为1.04m， 1.1m。
5 结论
（1）采用应力解除法测量五沟煤矿地应力，最大主应力大小在14.85MPa～24.38MPa之间，最大主应力方位角在NE56o～NE111o之间，近于东西方向；中间主应力大小在7.85MPa～13.68MPa之间，中间主应力方位角在NE19o～NE66o之间；第三主应力大小在5.329MPa～9.513MPa之间，其方位角比较离散。
（2）根据现有支护经验，结合地应力以及通风、运输、行人等因素，顶板和帮部采用右旋全螺纹高性能锚杆，顶板中采用W钢带加锚索加强支护。采用数值模拟进行验证，控制效果满足生产需求。
参考文献
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