軟巖巷道支護參數優化設計

張德良

(大同煤礦集團 同發東周窯煤業有限公司，山西 大同 037101)

·試驗研究·

軟巖巷道支護參數優化設計

張德良

(大同煤礦集團 同發東周窯煤業有限公司，山西 大同 037101)

以某礦2012回采巷道為工程背景，通過巖石力學參數測試及鉆孔窺視了解巷道圍巖情況，分析了軟巖巷道支護原則，并基于極限平衡理論計算得出巷道支護參數，通過FLAC3D模擬回采期間巷道變形情況，驗證了支護參數的可行性，并通過現場試驗進一步驗證了所優化設計的支護參數能夠滿足支護要求，該研究對以后軟巖巷道支護設計具有重要的指導意義。

軟巖巷道；巖石力學參數；支護參數；數值模擬

軟巖巷道支護是當今世界地下工程中一項復雜而重要的技術難題。目前，國內外許多專家、學者對軟巖工程的控制進行了大量的研究和實踐[1-5]，也取得了許多可喜的成果，但就具體的實際應用來看，還不能滿足日益增長的軟巖工程需要，軟巖工程控制等諸多問題還有待于進一步的研究和探討。本文主要通過工程實踐對軟巖支護參數的合理性進行研究，采用加強主動支護來控制軟巖巷道變形，從而保證巷道整體的安全。本研究將對煤礦軟巖巷道支護具有重要的指導意義。

1 工作面簡介

1.1 工作面位置

201工作面位于某礦井田范圍內2#煤層，為該層的首采工作面，煤層埋深180～250 m，煤層厚度3.6 m. 201工作面共布置了2條回采巷道，分別為2011回風巷，2012軌道巷，工作面布置平面圖見圖1.

圖1 工作面布置平面圖

本次以2012回采巷道為研究對象，巷道斷面設計為矩形巷道：毛斷面13.68 m2，毛寬3.8 m，毛高3.6 m；凈斷面12.6 m2，凈寬3.6 m，凈高3.5 m.

1.2 頂、底板巖性及鉆孔窺視

根據地質資料可知，2012巷直接頂為砂質泥巖，直接底為泥巖，均具有軟巖特性，抗采動影響能力差。另據地質探測發現，巷道底板內裂隙較為發育，圍巖完整性差。又由于該煤層中老巷、空巷較多，原巖應力受到破壞，當巷道掘進時，應力狀態再次發生改變，使應力向深部轉移從而影響深部圍巖的穩定[6,7].

經過現場取樣及實驗室試驗得出，2#煤層及其頂底板巖石參數測定結果見表1.

2012巷頂板窺視鉆孔測站布置位置及觀測結果分別見圖2，圖3.

根據鉆孔頂板窺視結果，巷道頂板上方7.702 m范圍內為巖層，1.825～3.057 m段為煤層含夾矸較多。煤層頂板上方淺部范圍內，巖層較為松軟，局部含有煤層，深部局部出現裂隙，圍巖狀態較差，不穩定。掘進期間巷道頂板下沉比較嚴重，頂板下沉顯現比較明顯，最終變形量達到200 mm以上；兩幫變形量較大，向巷道空間內擠出，兩幫相對移近量為400～500 mm，掘進初期圍巖變形速率達到20 mm/d以上，特別是兩幫底部較之頂部有明顯的鼓出，呈現出不對稱變形狀態，且兩幫均存在不同程度的片幫。常規支護不能滿足正常的生產安全要求，需對該條件下巷道的支護方案進一步優化改進，保證工作面回采期間巷道滿足生產需求。

表1 煤(巖)力學參數表

圖2 頂板窺視鉆孔布置圖

圖3 2012巷頂板窺視圖

2 軟巖巷道支護參數優化設計

2.1 軟巖巷道支護原則

1) 主動支護原則：主動支護就是在對圍巖支護后支護體立即對圍巖提供一定阻力的支護，隨著圍巖變形的增加，支護阻力會隨之繼續增加或保持恒阻發展。

2) 全斷面支護原則：對于軟巖巷道，不僅要保證全斷面支護的整體性，還要對薄弱的底板部位采取重點加強支護措施，防止巷道從薄弱的底板部位首先變形破壞而導致全斷面變形破壞，保證巷道的整體穩定。

3) 可縮性支護原則：軟巖巷道支護的主要載荷是圍巖的變形壓力，在大變形壓力作用下普通剛性支護很快就會破壞，而可縮性支護通過可縮讓壓，釋放部分高壓，使圍巖發揮更大承載能力。

4) 塑性圈原則：硬巖工程支護是力求控制塑性區的產生，最大限度發揮圍巖自承力，而軟巖工程支護是力求有控制地產生一個合理厚度的塑性圈，最大限度地釋放圍巖變形能[8,9].

2.2 軟巖巷道支護參數設計

巷道支護參數設計主要基于極限平衡理論[10,11]，經計算，頂板支護采用d20 mm、長度2 400 mm的錨桿，間排距為800 mm×800 mm；頂部采用d17.8 mm×6 300 mm錨索，每排2根，間距1 600 mm，排距1 600 mm，預緊力為150 kN；兩幫幫部采用d18 mm、長度1 800 mm的錨桿，預緊力30 kN，間排距800 mm×800 mm.

3 數值模擬

為了保證回采期間巷道的穩定性，采用FLAC3D數值模擬[12]對回采期間2012回采巷道圍巖的應力及位移情況進行模擬，分別模擬了工作面距測點30 m、5 m時回采巷道的圍巖變形及應力分布情況，見圖4.

圖4 工作面推進巷道圍巖變化情況圖

隨著與工作面距離的減小，巷道頂板垂直位移由72 mm增加至104 mm，而兩幫水平位移則由74 mm增加至90 mm. 其中在距離工作面5 m處，左幫移近量為90 mm，右幫移近量為85 mm，頂板下沉量為104 mm，底鼓量為42.7 mm，2012回采巷道圍巖整體變形屬正常變形范圍。巷道頂板垂直應力及兩幫水平應力有所增加其中兩幫應力由23 kPa增加至62 kPa. 兩幫垂直應力從巷道表面逐漸增大至峰值12 MPa，峰值點距巷道表面2.6 m，為原巖應力7.18 MPa的1.67倍，說明開挖導致應力峰值向深部轉移，頂板壓力在垂直壓力作用下向兩幫圍巖轉移。

4 工程實踐

采用優化后的支護參數對巷道進行支護，在2012巷設立巷道表面位移監測測站，利用“十字測量法”觀測掘進期間巷道圍巖變形情況，巷道表面移近量及變形速率見圖5.

圖5 2012回采巷道圍巖變形監測曲線圖

由圖5可知， 2012回采巷道圍巖淺部移動規律如下：

巷道頂底板最終移近量為161 mm，其中，頂板下沉量為105 mm，底板上鼓量為56 mm.巷道頂板在工作面距測站17.8 m內變形劇烈，最大下沉速率為16 mm/d；巷道底板在工作面距測站12.1 m內變形劇烈，最大上鼓速率為45 mm/d. 巷道兩幫最終移近量為341 mm，其中，左幫(回采幫)移近量為180 mm，右幫(非回采幫)移近量為161 mm. 兩幫在工作面距測站12.1 m內變形劇烈，左幫最大移近速率為77 mm/d，右幫最大移近速率為69 mm/d.通過現場實踐，該優化支護參數能夠滿足支護要求。

5 結 論

針對2012回采巷道圍巖軟、變形大無法滿足生產需求問題，重新設計了巷道支護參數，并通過數值模擬驗證支護參數的可行性，最后通過現場觀測巷道變形數據，巷道頂底板最終移近量為161 mm，兩幫最終移近量為341 mm，說明所設計的支護參數能夠保證巷道滿足生產需求。

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Optimal Design of Supporting Parameters for Soft Rock Roadway

ZHANG Deliang

Takes No.2012 mining roadway in a coal mine as the object of the study, the principle of supporting under soft rock roadway is determined by the rock mechanics parameter test and drilling. The roadway support parameters are calculated based on the maximum equilibrium theory. FLAC3D simulates technology are adopted on the deformation of the roadway during mining to verify the feasibility of the supporting parameters, Have some Guiding significance.

Soft rock roadway; Rock mechanics parameter; Supporting parameter; Numerical simulation

2017-01-04

張德良(1969—)，男，山西懷仁人，1993年畢業于山西礦業學院，高級工程師，主要從事煤礦安全生產技術工作(E-mail)wangzhe12123@126.com

TD353

B

1672-0652(2017)02-0019-04