回坡底煤礦K2灰巖地質力學分析及巷道支護研究

馮錦鵬，季衛斌，范彥陽，陳廣帥

(1.霍州煤電集團有限責任公司回坡底煤礦，山西 霍州 031400；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.霍州煤電集團責任有限公司技術研究院，山西 霍州 031400)

0 引言

回坡底煤礦的主采煤層為10#煤和11#煤，10#煤平均厚度2.67 m，11#煤平均厚度3.3 m。9#～10#煤層直接頂板為石灰巖，厚7.6～9.3 m，平均8.9 m，分布穩定。礦井地質報告顯示，開采區域內構造簡單、煤層賦存淺、地應力小、而灰巖頂板厚度大、強度高、分布穩定。礦井初步設計時K2灰巖頂板的支護形式為：頂板采取錨網梁支護，兩幫部位采取鋪桿支護。煤礦的生產實踐表明：此種支護方式成本較高，施工速度較慢，經濟技術不盡合理。因此，K2灰巖頂板巷道的圍巖穩定性及合理的支護方式已成為回坡底煤礦亟待解決的重大技術難題之一。

1 地質力學測試

為了掌握回風大巷圍巖基礎參數，為巷道支護形式與參數選擇提供基礎數據，在回坡底煤礦進行了詳細的地質力學測試，測點位于回風大巷附近10#煤中。

1.1 圍巖結構

圖1 圍巖結構

1.2 圍巖強度測試及分析

采用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置，在窺視鉆孔內對巷道頂板10 m范圍煤巖層的強度進行了測試。測試數據經過統計、分析和換算后，得到測站頂板煤巖體強度分布特征，測點頂板煤巖體強度測試結果，如圖2所示。

圖2 頂板巖體強度測試結果

對照頂板10 m以下和兩幫煤體強度測試結果，得到以下結論：頂板以上0～2.0 m為泥巖，巖層強度平均值為23.17 MPa;2.0～3.0 m為9#煤，煤體強度平均值為17.26 MPa；3.0～10 m為K2灰巖，巖層強度平均值為100.39 MPa。

地應力測量的主要目的是掌握試驗對象的應力環境，為巷道布置方位選擇和支護參數強度設置提供理論依據。地應力測量結果見表1。

通過地應力測量，掌握了回風大巷附近地應力大小和方位。

表1 地應力測量結果

556回風大巷附近最大水平主應力為9.32 MPa，垂直主應力8.77 MPa，從地應力量值而言，區域基本屬于低地應力場，較有利于巷道支護。

根據地應力巷道布置理論，最大水平主應力的方向是指導掘進巷道布置方向的主要理論依據。對于σH>σV>σh型應力場，巷道最佳布置形式巷道軸向與最大主應力的方向呈某一夾角，夾角大小與主應力大小有關，最優巷道軸向與最大水平主應力的夾角可用式(1)計算。

(1)

式中：σH=9.32 MPa；σh=4.99 MPa；σv=8.77 MPa。

接受新教學法實習學生的理論知識及臨床技能分數，均優于傳統教學法組學生，差異具有統計學意義（P＜0.05），見表1。

通過計算可知α0=69°。巷道軸向為N119°W，與最大水平主應力方向夾角為67°，雖非最佳布置方位，但是只相差2°，巷道變形受到最大水平主應力方向的影響很小，支護參數設計基本不需要考慮這一影響因素。

2 灰巖頂板巷道圍巖破壞特征及應力分析

本次采用有限差分數值計算程序FLAC3D軟件，提出3種不同強度的支護方案，分別分析不同支護強度下K2灰巖直接頂板回風大巷圍巖破壞特征及應力狀態。

2.1 建立模型

根據556回風大巷實際地質條件，建立對應的FLAC3D數值模型，模型尺寸為260 m×100 m×30 m。模型如圖3所示，在建模過程中嚴格按照地質剖面圖的尺寸，三維模型的邊界條件為：上部為應力邊界，四周和底部為鉸支邊界。

圖3 數值模型圖

根據理論分析和現有工程實踐，提出3種支護方案，如圖4所示。

a-方案一;b-方案二;c-方案三圖4 3種方案支護圖

方案一：回風大巷頂板不支護，兩幫各3根錨桿，桿體規格為φ20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿預緊力矩300 N·m。

方案二：回風大巷頂板采用2根錨索支護，錨索材料為φ17.8 mm，1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度6 300 mm，間距1 800 mm，沿巷道軸線對稱布置，排距2 000 mm，錨索初始張拉力為200 kN。兩幫各3根錨桿，桿體規格為φ20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿預緊力矩300 N·m。

方案三：中回風大巷頂板4根左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿直徑20 mm，錨桿長度2 000 mm，沿軸線對稱布置，間距1 400 mm，排距2 000 mm，錨桿預緊力矩200 N·m；一根錨索，錨索材料為φ17.8 mm，1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度6 300 mm，排距4 000 mm，錨索初始張拉力為200 kN。兩幫各3根錨桿，桿體規格為φ20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿預緊力矩300 N·m。

2.2 巷道受力與變形模擬分析

圖5為3個方案中回風大巷圍巖垂直應力分布情況。

a-方案一;b-方案二;c-方案三圖5 巷道垂直應力分布圖

從圖5中可以看出，巷道開挖后，垂直應力向巷道兩幫集中，方案一中頂板無支護，兩幫最大垂直應力略大于方案二和方案三最大垂直應力值，方案二和方案三兩幫垂直應力值比較接近。

2.3 實驗觀測

在巷道表面建立位移監測點，對回風大巷的變形進行監測，得出3個方案中巷道頂底板和兩幫最大位移值見表2。

從表2可以看出，方案二和方案三中巷道變形較為接近，方案一中巷道變形略大于方案二和方案三。總體來看，3個方案中巷道變形均不嚴重，回風大巷圍巖穩定性較好。說明由于直接頂板為堅硬K2灰巖，頂板支護對圍巖穩定性影響不大。

3 現場支護方案及效果

3.1 支護原則

根據以上分析，結合一次支護原則、高預應力和預應力擴散原則，“三高一低”原則(即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則)，臨界支護強度與剛度原則，相互匹配原則，可操作性原則，在保證巷道支護效果和安全程度，技術上可行、施工上可操作的條件下，做到經濟合理，有利于降低巷道支護綜合成本。

表2 巷道圍巖變形情況

3.2 支護方案

頂板完整段：在頂板K2灰巖完整性好、裂隙不發育的情況下，采用方案一支護方法，頂板不采取支護措施，兩幫采取錨桿支護。由于K2灰巖硬度較大，難于鉆進，這樣可以節約大量人力物力，大幅度提高掘進速度，帶來可觀的經濟效益。另一方面，由于回風大巷受采動影響較小，可實現安全生產。

頂板裂隙發育段：在頂板K2灰巖裂隙較為發育的情況下，采用方案二支護方法，頂板采用錨索支護，二二布置，視頂板完整情況選擇是否采用鋼筋網，兩幫采取錨桿支護。一方面避免在K2灰巖上鉆進錨桿孔，節約人力物力，大幅度提高掘進速度。另一方面，根據以上研究結果，可實現安全生產。

3.3 效果

上述支護方案于2016年1月份提交煤礦并開始施工，施工期間密切觀測巷道圍巖情況，強調施工質量，并在巷道圍巖表面建立表面位移測站，到目前為止巷道已使用近一年時間，圍巖穩定性較好，巷道圍巖變形監測結果如圖6所示。巷道頂底板最大移近量為110 mm，兩幫最大移近量為60 mm，巷道圍巖穩定，支護效果良好。

圖6 巷道圍巖變形情況

4 結論

(1)根據地應力測試結果，巷道所在區域基本屬于低地應力場，較有利于巷道支護，頂板K2灰巖巖層強度平均值為100.39 MPa，結構完整，巷道變形受到最大水平主應力方向的影響很小，支護參數設計基本不需要考慮這一影響因素。

(2)根據理論分析和工程經驗提出3個支護方案，根據數值模擬結果，結合具體地質條件，采用方案一和方案二相互配合的支護方式。

(3)經過現場施工監測，巷道頂底板最大移近量為110 mm，兩幫最大移近量為60 mm，巷道圍巖穩定，支護效果良好。