大傾角巷道圍巖支護方案優化及控制

何峰華 李以虎

(煤炭工業濟南設計研究院有限公司,山東 濟南 250031）

大傾角煤層巷道圍巖變形難以控制，巖層傾角對巷道的變形破壞影響較大。本文立足于大傾角圍巖，通過FLAC3D數值模擬軟件，得到了控制巷道斷面變形的最佳巷道斷面方案。為了加強支護，采用非對稱耦合圍巖控制技術，將錨網索耦合支護共同作用在圍巖的變形關鍵部位，達到控制圍巖變形的目的。

1 巷道斷面形狀的數值模擬

1.1 模型的確定

本次模型長度×寬度×高度=50×40×50m。模型左右和下邊界均采用剛性約束，根據各層的力學參數和地應力實測結果，作用在上邊界的地應力為25MPa，模型中所采用的巖層物理力學參數如下表1。

1.2 圍巖變形數值模擬結果

煤礦巷道一般有矩形、梯形和半圓拱形幾種常見類型。在巷道斷面的選擇上，往往會選擇受力較為均勻的拱形巷道。矩形巷道和梯形巷道往往在頂壓和側壓都不大的情況下使用，直墻拱形巷道適用于頂壓大而側壓力較小的情況。對于頂壓、側壓和底壓都很大的情況，采用圓形、橢圓形、馬蹄形斷面。對于高地應力和軟巖區域，采用圓形巷道。當然在巷道形式選擇上，也會考慮支護方式、支護材料以及掘進方法、使用年限等條件。

表1 模型各巖層力學參數

本文專門針對梯形、直墻拱形和矩形巷道做了模擬。根據FLAC數值模擬，針對煤層傾角30°時不同的斷面形狀，來研究巷道圍巖的應力分布和變形。

圖1 巷道垂直位移云圖

根據圖1中的三種巷道截面形式，可以得出以下結論：

（1）三種巷道的斷面均出現應力分布的不對稱性，巷道的頂板左側變形較大，底臌量的最大變形值出現在底板的左側。

（2）從模擬情況來看，矩形巷道的頂板最大下沉數值達到了220mm，底板的最大變形量達到了50mm。斜梯形巷道頂板的最大下沉量達到了187mm，而底板的變形量和矩形巷道底板的變形量一樣，達到了50mm。半圓形巷道頂板和底板的變形量均是三種巷道中的最小值，頂板下沉量僅僅為135mm，而底板的最大下沉量僅僅為20mm。

根據上述結論可以看出，對于煤層傾角30°的巷道，選取半圓拱形巷道頂底板變形量會最小，斜頂梯形巷道變形量次之，矩形巷道變形量最大。

2 巷道支護方案選擇

2.1 支護參數選擇

圖2 巷道支護方案圖（單位：mm）

由于本項目的煤層頂板為復合頂板，節理發育，頂板巖層較脆且容易冒落，考慮到巷道距離采動工作面較近，容易承受采動壓力。巷道采用圓弧形拱斷面，如圖2所示。在支護方式選擇上，采用錨網帶+錨索+底角錨桿非對稱耦合支護。頂板采用4根預應力錨桿，每根錨桿采用兩支MSK28/50數值錨固劑進行錨固，錨桿采用扇形分布，頂板錨桿的間排距為850×1000mm，另外布置兩根高強錨索，錨索長度為7.5m，采用粘結式鳥巢鋼絞線。底板采用金屬網外加W鋼帶和錨桿支護。

2.2 巷道變形監測

（1）巷道圍巖變形監測曲線。

圖3 Ⅲ測站巷道圍巖變形曲線

根據巷道的變形情況，在巷道的頂板、底板和左右兩幫處設置觀測點，采用十字布點法安設巷道表面的位移監測面，并在各測站設置測力計。由觀測數據可知，巷道頂底板的位移變形量最大，兩幫的變形量較小，整個巷道變形在掘進距離測點50～60m之間基本趨向穩定，巷道的頂底板的移近量為135mm，而兩幫的平均值僅為110mm，整個變形都在允許的范圍內。該支護方案基本控制了巷道的變形，可以滿足巷道使用的要求。

（2）頂板離層儀觀測。

圖4 Ⅲ測站頂板離層情況

頂板離層觀測特設置3個測站，從最終的監測結果來看，頂板離層的淺部離層量有30mm，深部離層達到了9mm，頂板的離層主要發生在較為淺的區域，三個測站的結果最終相差不大，離層量結果數據較為接近，離層量也都明顯在淺部區域。

3 結論

FLAC3D數值模型的結果表明，圓拱形巷道的受力最為合理。對于復合頂板的大傾角煤層巷道來說，采用非對稱耦合支護方式，錨網索支護共同作用在圍巖的變形關鍵部位，有效控制圍巖變形。根據監測結果，支護方案能夠滿足巷道圍巖變形控制。