大斷面巷道聯(lián)合支護圍巖穩(wěn)定性分析

琚 偉

(山西晉煤集團 晉圣礦業(yè)投資有限公司，山西 晉城 048000)

隨著煤礦開采設(shè)備的不斷更新，各種大型設(shè)備的出現(xiàn)對礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效起到了一定的促進作用[1-2].但是在大型設(shè)備的運輸過程中，要求工作面回采巷道的斷面不斷增加，給巷道支護帶來了一定的困難[3].巷道斷面增大，圍巖應(yīng)力也隨之增加，工作面回采過程中受到采動的影響，常出現(xiàn)頂板、兩幫變形，錨桿、錨索失效的現(xiàn)象，給巷道維護提出了更高的要求[4-5].晉圣億欣煤業(yè)XV1206工作面輔運巷屬大斷面巷道，回采過程中受到的采動影響較大，為了保證巷道圍巖穩(wěn)定性，采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測的方法確定合理的支護方案，以保證礦井的安全生產(chǎn)。

1 工程概況

XV1206工作面位于晉圣億欣煤業(yè)10#煤層2盤區(qū)，煤層平均厚度4.0 m，工作面傾角2°～9°，平均3°，采用長壁式采煤方法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。XV1206工作面頂?shù)装鍘r層柱狀圖見圖1，基本頂為細砂巖，厚8.9～16.36 m，平均12.2 m；直接頂為1.7～8.9 m的砂質(zhì)泥巖，平均厚度4.5 m，直接底為鋁土泥巖，厚1.8 m.

圖1 XV1206工作面頂?shù)装鍘r層柱狀圖

XV1206工作面輔運巷尺寸為5.1 m×4.0 m，巷道支護設(shè)計見圖2，采用“錨桿+錨索+鋼帶”聯(lián)合支護，其中頂板布置6根型號為BHRB400的錨桿，長度2 300 mm，錨桿間距940 mm，排距1 000 mm，邊錨桿距巷幫200 mm，并要求向巷幫側(cè)傾斜20°.頂部布置3排d17.8 mm，長度6 200 mm錨索，間距1 410 mm，距巷幫1 140 mm，排距2 000 mm.錨索下方設(shè)置W鋼帶。巷道回采幫采用MGSL18/18F玻璃鋼錨桿，錨桿長度1 600 mm，間排距900 mm，排距1 000 mm，最上一個錨桿距離頂板200 mm，并要求向頂板側(cè)傾斜20°；巷道煤柱幫采用高強度螺紋鋼錨桿，型號為HHRB400，錨桿長度1 600 mm，間距900 mm，排距1 000 mm，最上一個錨桿距離頂板200 mm，并要求向頂板側(cè)傾斜20°.

圖2 XV1206工作面輔運巷支護設(shè)計圖

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對XV1206工作面輔運巷“錨桿+錨索+鋼帶”聯(lián)合支護條件下，巷道圍巖破壞情況及變形量進行分析。巷道圍巖主要力學參數(shù)見表1.建立模型為彈塑性材料，運用Mohr-Coulomb 屈服準則判斷巖體的破壞。模型沿工作面推進方向始末各留設(shè)20 m煤柱，推進100 m；模擬工作面長度80 m，運輸巷及輔運巷寬度5.1 m，輔運巷兩幫各留設(shè)15 m煤柱；巷道底板厚度1.8 m，煤厚4.0 m，直接頂厚度4.5 m，基本頂厚度12.2 m，頂板巖層30 m，即模型尺寸長140 m×寬120.2 m×高52.5 m.模型網(wǎng)格劃分按0.5 m×0.5 m進行。在模型中布置測點，監(jiān)測巷道圍巖隨工作面掘進的破壞情況及巷道圍巖移近量隨工作面掘進變形特征，數(shù)值模型尺寸、網(wǎng)絡(luò)劃分及邊界條件見圖3.

2.2 模擬結(jié)果分析

XV1206輔運巷圍巖隨工作面不斷推進屈服破壞特征見圖4.由圖4可以看出，隨著工作面不斷推進，巷道破壞逐漸嚴重，當工作面推進80 m后，巷道已經(jīng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，工作面持續(xù)推進對于巷道圍巖移近量影響降低。工作面推進80 m時，巷道頂板最大破壞深度1.5 m，兩幫最大破壞深度1.5 m，底板最大破壞深度2.5 m.底板破壞嚴重，原因為底板為鋁土泥巖，遇水容易膨脹，加劇了巷道底板破壞，因此在實際生產(chǎn)過程中要注意加強底板維護管理，做好工作面水的管控，必要時對底板進行補強支護。

表1 巷道圍巖主要力學參數(shù)表

圖3 模型的幾何尺寸、網(wǎng)格劃分及邊界條件圖

圖4 工作面推進不同距離時巷道圍巖屈服破壞特征圖

巷道圍巖移近量隨工作面推進的變化見圖5.由圖5可知，隨著工作面不斷推進，巷道圍巖移近量也在逐漸增加，當工作面推進80 m后，巷道圍巖已經(jīng)趨于穩(wěn)定，工作面持續(xù)推進對于巷道圍巖移近量變化不大，與圍巖屈服破壞結(jié)果一致。頂板移近量穩(wěn)定在82 mm左右，底板移近量穩(wěn)定在95 mm左右，左幫移近量穩(wěn)定在66 mm左右，右?guī)鸵平糠€(wěn)定在63 mm左右。巷道表面圍巖移近量總體呈：底板>頂板>回采幫>非回采幫。

圖5 距巷道表面不同距離處圍巖移近量圖

通過以上分析可知，在XV1206工作面輔運巷采用“錨桿+錨索+鋼帶”聯(lián)合支護，工作面推進0～80 m巷道圍巖不穩(wěn)定，頂?shù)装寮皟蓭鸵平砍掷m(xù)變化；當工作面推進到80 m后，巷道頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在177 mm左右，兩幫移近量穩(wěn)定在129 mm左右，圍巖變形量小。可見，在巷道支護設(shè)計中采用“錨桿+錨索+鋼帶”的聯(lián)合支護方案能夠有效地控制圍巖變形量，保證巷道的穩(wěn)定性。

3 工程實踐

3.1 現(xiàn)場檢測方案

為了進一步驗證聯(lián)合支護條件下巷道圍巖穩(wěn)定性，采用十字布點法監(jiān)測圍巖移近量，見圖6，在頂、底板中點垂直方向和兩幫腰部水平方向鉆d28 mm、深400 mm的孔，將長420 mm的短錨桿打入孔中，并在短錨桿上固定掛鉤或吊環(huán)。分別在XV1206輔運巷距離切眼5 m、10 m、20 m、40 m處布置測點進行圍巖監(jiān)測，編號為1#—4#.測量各測點頂?shù)装寮皟蓭臀灰圃诠ぷ髅嫱七^后隨時間的變化規(guī)律。工作面推過后前10天，每天對各測點圍巖移近量進行監(jiān)測，10天后每周對各測點進行監(jiān)測。

圖6 巷道表面圍巖移近量監(jiān)測點布置示意圖

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

現(xiàn)場巷道圍巖移近量隨時間推移的變化曲線分別見圖7，8.由圖7、8可以看出，隨著時間的推移，巷道頂?shù)装濉蓭鸵平吭诓粩嘣黾樱黾臃戎饾u減小。1#、2#、3#、4#測點在60天以后頂?shù)装逡平考s分別穩(wěn)定在148 mm、149 mm、146 mm、152 mm，各測點頂?shù)装迤骄平糠€(wěn)定在148.8 mm.

圖7 巷道頂?shù)装逡平侩S時間變化規(guī)律圖

圖8 巷道兩幫移近量隨時間變化規(guī)律圖

1#、2#、3#、4#測點在60天以后兩幫移近量約分別穩(wěn)定在126 mm、129 mm、141 mm、142 mm，各測點兩幫平均移近量穩(wěn)定在134.5 mm.

現(xiàn)場對XV1206輔運巷圍巖移近量監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近，巷道整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。可見，采用 “錨桿+錨索+鋼帶”的聯(lián)合支護方案對于保證XV1206工作面輔運巷圍巖穩(wěn)定性效果顯著。

4 結(jié) 論

1)采用FLAC3D數(shù)值模擬方法對XV1206工作面輔運巷圍巖移近量進行分析，在“錨桿+錨索+鋼帶”的聯(lián)合條件下，工作面推進0～80 m過程中巷道圍巖不穩(wěn)定，頂?shù)装寮皟蓭统掷m(xù)變化，當工作面推進到80 m后，頂?shù)装鍑鷰r移近量穩(wěn)定在177 mm左右，兩幫移近量穩(wěn)定在129 mm左右。

2)當工作面推進80 m后，底板最大破壞深度達2.5 m，底板破壞嚴重，原因為底板為鋁土泥巖，遇水容易膨脹，加劇巷道底板破壞。因此，在實際生產(chǎn)過程中要注意加強底板維護管理，必要時要對底板進行補強支護。

3)現(xiàn)場對巷道圍巖移近量進行監(jiān)測，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在148.8 mm左右，兩幫移近量穩(wěn)定在134.5 mm左右，與數(shù)值模擬結(jié)果相近。

4)結(jié)合數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測結(jié)果表明，采用 “錨桿+錨索+鋼帶”的聯(lián)合支護方案對于保證XV1206工作面輔運巷圍巖穩(wěn)定性效果顯著，實際生產(chǎn)過程中要做好工作面水的管控。