深部高應力巷道支護方案優化研究

李海龍

（同煤集團，山西 大同 037000）

隨著煤礦開采深度的增加，深井高應力巷道增多，嚴重影響礦井安全生產[1-3]。煤礦巷道受采動影響破壞嚴重，而這些巷道大都處于圍巖強度較低的沉積巖層中，地質構造復雜，支護難度較大[4-5]。

1 概況

東周窯礦山4#層南膠帶大巷北接南部采區大巷，東、南、西三側為未開拓區，上覆為店灣木代村煤礦侏羅系13#層小窯采空區，層間距約255m，現開采山4#煤層，平均厚度2.3m，平均埋深437m。大巷沿山4#煤層底板布置，巷道掘進后變形嚴重，頂板為砂質泥巖，頂板下沉量最大達900mm，嚴重影響了礦井的正常生產。

2 圍巖破壞機理

2.1 圍巖巖性分析

在東周窯礦山4#層南膠帶大巷抽取巖芯，進行物理力學參數測定，分析巷道變形機理。鉆孔柱狀圖如圖1所示。

圖1 鉆孔柱狀圖

從圖1可以看出，煤層的頂底板均為泥巖、砂巖，巷道變形以蠕變為主。因此，巷道支護需要有一定的可塑性支護，巷道將來會受到采動影響，又需考慮一定的剛性支護。

2.2 松動圈測定

巷道圍巖松動圈理論已經成為巷道支護和維修的主要依據。松動圈的大小與巷道圍巖的穩定性及支護的難易程度密切相關。現采用U510非金屬超聲波檢測儀進行雙孔探測，測試結果如表1所示。

表1 松動圈測試

3 支護參數

根據巷道變形機理和松動圈測試結果，設計采用錨網索噴支護方案。

錨桿型號為Ф22×2500mm，間排距800×800mm，每根錨桿配合1條Z2388和1條CK2360樹脂錨固劑。錨桿托盤由100×100×10mm的鋼板制成。錨索型號為Ф17.8×8000mm預應力錨索，間排距2000×1600mm。金屬網采用Ф6.5鋼筋焊接而成，規格100×100mm。噴射混凝土、鋪底混凝土強度為C25。

圖2 錨桿錨索支護布置圖（單位：mm）

巷道擴面后，首先噴射50mm混凝土，包括巷道底板也同時進行混凝土噴射，以保證及時支護頂板。普通錨桿施工4排之后，再噴50mm混凝土。

4 數值模擬

利用FLAC3D建立巷道支護的數學模型，進行支護效果數值模擬。

4.1 模型建立

選取一個40m×40m的正方形區域，巷道位于模型的正中央。在自重應力條件下，對底邊約束垂直方向位移，對左右兩側邊界施加水平方向約束，在模型的頂部施加垂直地應力。巖石力學參數為容重 =25.77kN/m3，變模E=4.52GPa，粘聚力C=4.25MPa，摩擦角=45°，泊松比 =0.25。

4.2 計算結果分析

（1）無支護巷道位移

無支護條件下，巷道最大位移云圖如圖3所示。巷道開挖后垂直最大位移為580mm，水平最大位移約為320mm。垂直位移比較大，如果不進行支護將會發生冒頂事故。巷道周圍水平應力和垂向應力均有拉應力出現，范圍較大，最大水平拉應力為2.55MPa，最大水平壓應力為12.6MPa，最大垂向拉應力為1.44MPa，最大垂直壓應力為33.6MPa，剪應力的最大值10.2MPa。巷道周邊產生拉應力，巷道無法維護，導致巷道垮塌惡性事故發生。

圖3 無支護巷道位移云圖

（2）支護后模擬結

由圖4可得，進行巷道支護后，巷道垂直最大位移為56.6mm，水平最大位移約為21.3mm。相對于無支護的位移大大降低。在巷道周邊水平和垂向應力均在支護范圍內，與無支護對比可以看出，錨網索噴支護很好地改善了巷道圍巖的應力狀態。

圖4 支護后巷道位移云圖

5 支護效果監測

巷道支護結束后，選取原變形嚴重處安裝2組測站，間距為10m，分別為1#站和2#站，每周觀測、記錄一次結果。從第1周至第10周，1#站處巷道兩幫沒有回縮，頂底板相對位移11mm，平均每天頂底板回縮0.12mm；2#站處巷道左幫回縮12mm，平均每天回縮0.13mm，右幫回縮13mm，平均每天回縮0.14mm，頂底板相對位移12mm，平均每天回縮0.13mm。

從觀測結果可以看出巷道兩幫及頂底板有較小的回縮，但不影響巷道正常使用，錨網索噴聯合支護方式取得了良好的支護效果。