高應力大斷面巷道圍巖控制及支護技術研究

孫春雷

（晉煤集團沁水胡底煤礦，山西 晉城 048214）

胡底煤礦一盤區中部布置5條大巷，在大巷兩側布置工作面進行開采，巷道設計凈斷面為21.83m2。其中輔運巷在2015年經歷一次巷修，主要采用挑頂、擴刷、全錨索支護、噴漿、注漿工藝，但隨著首采面1301工作面回采臨近停采線，受地應力、構造應力及采動影響，巷道變形破壞非常嚴重，雖多次進行維修，但始終難以從根本上解決高應力大斷面巷道支護技術難題。

目前礦井正在開拓1103巷，為了有效控制巷道圍巖變形破壞，確保礦井安全、可持續生產，迫切需要針對胡底煤礦的實際情況，開展高應力大斷面巷道支護技術研究，分析巷道的圍巖變形規律和破壞特征，確定合理的圍巖控制技術及支護參數。

1 工程地質概況

胡底煤礦現開采的3#煤層位于山西組下部，開采水平垂深達500～700m，煤層平均厚度5.72m，傾角平均6°，全區穩定可采。井田內主要地質構造以褶曲為主，斷裂構造不發育。3#煤層基本頂為細砂巖，平均厚度3.56m，直接頂為泥巖，平均厚度8.19m，直接底為泥巖，厚度為6.78m，基本底為細砂巖，厚度為3.8m。

1103巷道斷面設計為矩形，凈寬×凈高=5400mm×3900mm，斷面積為21.06m2，沿3#煤層頂板掘進。

2 圍巖特性曲線的確定

根據1103巷道現場實際情況，煤層直接頂為8m左右的泥巖，兩幫和底板均為3#煤，巷道松動圈值為1.8m，為典型的軟巖巷道，采用霍克—蘭丹尼理論對巷道進行支護設計計算。

巷道距地表垂深700m，3#煤層頂板泥巖的單向抗壓強度σ=40.29MPa，彈性模量E=4.361×103MPa， 泊松比μ=0.29， 巖石容重γ=23.2kN/m3，相當原巖應力P0=16.24MPa。計算步驟如下：

以矩形掘進斷面的外接圓作為等效圓

求常數M、D、Nr

由于塑性區中巖體節理化的發展，其質量逐漸降低。此時，可取mr=0.2；sr=0.0001。

求塑性區半徑R

式中：

pi—錨桿的工作阻力或支架抗力，MPa。

求彈性區位移u

求塑性區體積應變εV

求塑性區位移uR

其中：

取錨桿的工作阻力（支護抗力）分別為3MPa、2MPa、1MPa、0.5MPa、0.2MPa、0MPa，計算出R、u、εV和uR列入表1，繪制成圍巖特性曲線如圖1所示。表1中塑性區體積應變εV為負值，表示體積增大。

表1 計算結果表

圖1 圍巖特性曲線

由計算結果知，被動支護支護抗力為零時的圍巖塑性區位移uR=241mm。巷道圍巖允許位移區間[uR]=（0.4～0.8）uR=96.4～192.8mm。在選擇巷道支護時，巷道周邊位移應落入允許位移區間[uR]內，此時表明支護方式合理。

3 巷道支護參數設計

1103巷設計采用“錨桿+錨索+錨網+噴漿”的支護方式。

3.1 錨索支護參數設計

（1）錨索長度計算

錨索長度L應為錨索深入到較穩定巖層的錨固長度La、需要懸吊的不穩定巖層厚度（5m）、托板及錨具的厚度（0.1m）及外露張拉長度（0.25m）之和。其中：

式中：

K-安全系數，取2；

d1-錨索直徑，取22mm；

fa-錨索抗拉強度，取1720N/mm2；

fc-錨索與錨固劑的粘結強度，10N/mm2；

L=1.892+5+0.1+0.25=7.242m。

結合以上計算取錨索長度為7.3m。

（2）采用懸吊作用理論進行校核巷道頂錨索間、排距a：

應滿足：

式中：

G-錨索設計錨固力，250kN/根；

k-安全系數，一般取2；

L2-有效長度，取b；

L2=b（錨索取圍巖松動圈冒落高度）

式中 ：

B-巷道掘寬，5.4m；

H-巷道掘高，3.9m；

f-頂—頂板巖石普氏系數，取實測值4.0；

ω-兩幫圍巖的似內摩擦角， 76°；

γ- 巖石容重，25kN/m 3。

帶入公式算得L2=b=0.79m。

經計算a＜2.52m。

因此，頂錨索間排距為2.0×2.0m。

3.2 幫錨桿、錨索支護參數確定

巷幫支護所需提供的最大支護力為：

為保持巷幫不失穩，則支護體提供的支護力P≥δ3max，則錨桿的間距為：

式中：

Q-幫錨桿錨固力，取50kN；

a1-幫錨桿的間距，m；

b1-幫錨桿排距，取1.0m；

γ-煤的容重，取13.6kN/m3；

d-巷道半寬，取2.7m；

H-巷幫高度，取3.9m；

φ-煤層內摩擦角，取28°；

f-煤層普氏系數，取1.56；

K1-錨桿安全系數，取1.5。

經計算，δ3max=33.66MPa

一次和二次噴層抗力共計0.278MPa，鋼筋網抗力0.054MPa，巷幫錨桿支護所需提供的最大支護力為：33.66-0.278-0.054=33.33MPa

因此，幫錨桿間排距為1.0m×1.0m，結合以往工程支護經驗，在巷幫上增設2根4.3m長錨索，幫錨索間距取2.0m，進一步減小兩幫塑性區的變形量。巷道布置平剖面圖如圖2所示。

圖2 1103巷道錨噴支護方案平剖面圖

3.3 錨桿間距和圍巖變形量驗算

錨索抗力：

式中：

τs-錨索許用屈服強度，取484MPa；

F-錨索橫截面積。

“錨網索噴”支護總抗力P=0.278+0.054+0.332=0.664MPa，查圍巖特性曲線圖，在該支護抗力作用下，巷道周邊位移uR＇=184mm，被動支護支護抗力為零時的圍巖塑性區位移uR=241mm，巷道圍巖允許位移區間[uR]=（0.4～0.8）uR=（0.4～0.8）×241=96.4～192.8mm。巷道周邊位移落入允許位移區間[uR]范圍內，表明所設計的支護方案合理。

3.4 錨網索支護參數確定

（1）錨桿的布置方式

① 頂錨桿布置方式

采用Ф22、L=2400mm錨桿，矩形布置，每排6根，間排距為1000mm×1000mm，邊上兩根距巷幫200mm。采用樹脂加長錨固，錨固長度為1675mm，錨桿安設角度與頂板垂直，錨固力不小于150kN，加掛W形鋼帶和鋼筋網，W形鋼帶型號為W280×400/4。

② 幫錨桿布置方式

采用Ф22、L=2400mm錨桿，矩形布置，每排每幫4根，間排距為1000mm×1000mm，最上一根錨桿距頂板300mm，最下一根錨桿距底板600mm。錨桿采用樹脂加長錨固，錨固長度為1675mm，錨桿安設角度與巷幫垂直，錨固力不小于150kN，加掛鋼筋網。

（2）錨索的布置方式

① 頂錨索的布置方式

采 用 Ф22mm、L=7300mm的 錨 索，型號SKP22-1/1720，每排3根，間排距為2000×2000mm，邊上兩根距巷幫700mm。為能夠充分發揮錨索、錨桿組合支護效果，在錨索與錨索之間加掛W形鋼帶和鋼筋網，W形鋼帶型號為W280×400/4，錨索預應力不小于250kN。

② 幫錨索的布置方式

采用Ф22mm、L=4300mm的錨索，錨索兩幫各2根，每排4根，間排距為2000×2000mm，矩形布置，上部錨索距頂板800mm。錨索預應力不小于250kN，幫部錨索距底板超過1.5m時，進行補打錨索。

（3）混凝土噴漿

在安裝完金屬網、W形鋼帶、錨桿、錨索后，需要對巷道周圍進行噴射混凝土，混凝土厚度100mm，水泥：砂：石子（體積比）=1：2：2，并摻入水泥用量的5%的速凝劑，強度等級：C20。

4 效果

根據后期礦壓監測結果可知，巷道位移量頂板最大為154mm，底板最大為189mm，左幫為190mm，巷道圍巖控制效果較好。頂板離層監測結果表明，巷道頂部松動離層值很小；錨桿（索）測力計讀數顯示，錨桿受力處于合理狀態，頂板處于穩定結構；錨桿錨固力和預緊力矩抽檢結果合格率高，表明巷道錨桿支護施工質量好，支護系統安全可靠。以上監測結果表明，該支護方案合理，在類似地質條件下可推廣運用。