不同斷面巷道支護設計及現場應用

黃煒偉

(潞安環保能源開發股份有限公司 漳村煤礦，山西 長治 046000)

合理的巷道支護布置方式是保證巷道安全的前提[1-3]。只有巷道圍巖結構完整性較高、收斂位移量較小時，巷道才能夠較好的完成行人、運輸、通風等作業要求[4-11]。本文以漳村煤礦480大巷支護為背景，對不同巷道斷面進行合理的錨桿索間排距布置選擇。通過數值模擬對巷道位移量、應力分布及塑性區擴展情況進行分析，并結合現場鉆孔窺視探測，驗證巷道支護設計的合理性，為相似地質條件斷面巷道支護提供依據。

1 巷道圍巖地質概況

山西潞安集團漳村煤礦現需掘進480水平大巷，大巷共涉及三種斷面：480材料大巷、480回風大巷以及480聯絡巷，其中480材料大巷斷面為5.4 m×3.7 m(寬×高)矩形，掘進斷面積為21.46 m2；480回風大巷斷面為5.8 m×4 m(寬×高)矩形，掘進斷面積為23.2 m2；480聯絡巷斷面為4.4 m×3.6 m(寬×高)矩形，掘進斷面積為15.84 m2。

巷道所在煤層屬二疊系下統山西組下部的三號煤層，煤層賦存穩定，煤厚變異較小，煤層結構較簡單，厚度變化不大；煤層厚度5.45～6.03 m，平均厚度5.69 m，煤層埋深500～530 m。煤層直接頂巖性為泥巖，厚度0.65～8.2 m，平均厚度2.62 m，黑色塊狀，泥質結構，斷口光滑，含植物化石，局部頂板為砂質泥巖；老頂巖性為粉砂巖，厚度7.77～11.83 m，平均厚度9.22 m，灰黑色，厚層狀，粉粒結構，局部為砂質泥巖；直接底巖性為砂質泥巖，厚度3.19～4.04 m，平均厚度3.46 m，灰黑色，塊狀，斷口較平坦，含植物化石，局部底板為泥質結構；老底巖性為細粒砂巖，厚度2.45～9.98 m，平均厚度5.67 m，灰色，中厚層狀，成分以石英長石為主，夾有泥質條帶，含少量粉砂巖。巷道埋深在400～450 m之間，根據該區域地應力探測結果可知：巷道的垂直應力在10.5～12.3 MPa之間，側壓力系數為1.03～1.15之間，平均約為1.1。根據實驗室試驗得到480大巷圍巖力學參數，如表1所示。

表1 巖石物理力學參數

2 不同斷面巷道支護設計及分析

2.1 巷道錨桿索支護設計

480材料大巷支護設計：材料大巷斷面為5.4 m×3.7 m(寬×高)，巷道頂板錨桿采用等間距布置，每排6根，排距1 000 mm，間距950 mm，兩肩角錨桿分距巷幫325 mm，錨索采用“3-2-3”形式布置，“3”為隔排錨桿架間巷中及兩側1 600 mm處各布置1根錨索，間距1 600 mm，“2”為隔排錨桿架間巷中兩側800 mm處各布置1根錨索，間距1 600 mm；兩幫支護形式，錨桿等間距布置，每幫每排4根，間距1 000 mm，排距1 000 mm；幫上、下部錨桿分距頂、底板300 mm、400 mm。

480回風大巷支護設計：回風大巷斷面為5.8 m×4 m(寬×高)，巷道頂板錨桿采用等間距布置，每排等間距布置7根，間距900 mm，排距1 000 mm，兩肩角錨桿分距巷幫200 mm，錨索采用“3-2-3”布置，“3”為錨桿架間巷中及兩側1 600 mm處各布置一根錨索，間距1 600 mm，“2”為錨桿架間巷中兩側800 mm處各布置一根錨索，間距1 600 mm。兩幫支護每排等間距布置5根，間距850 mm，排距1 000 mm；幫上部錨桿距頂板300 mm、下部錨桿距底板為300 mm。

480聯絡巷道支護設計：巷道斷面為4.4 m×3.6 m(寬×高)，巷道頂板錨桿采用等間距布置，每排5根，排距1 000 mm，間距1 000 mm，兩肩角錨桿分距巷幫200 mm，錨索采用“2-1-2”形式布置，“1”為錨桿架間巷中，“2”為錨桿架間巷中兩側900 mm處各布置1根錨索，間距1 000 mm。兩幫支護每幫每排等間距布置4根，間距1 000 mm，排距1 000 mm；幫上部錨桿距頂板300 mm，下部錨桿距底板為300 mm。

2.2 不同斷面巷道支護設計數值模擬分析

巷道支護形式按照設計進行打設，用Cable單元模擬巷道錨桿，并施加預緊力，用Shell單元模擬巷道的錨網，建立的巷道模型如圖1所示。

圖1 巷道錨網索支護布置

2.2.1 巷道位移分析

圖2～圖4分別為480材料大巷、480回風大巷和聯絡巷的圍巖位移情況。

圖4 480聯絡巷圍巖位移

圖2 480材料大巷圍巖位移

圖2中可以看出：巷道變形最大值在巷道中部位置，變形最大值為1.64 cm，頂底板的最大值在巷道頂底板中部，底板變形略大于頂板，最大變形為1.88 cm。在目前巷道支護形式下，巷道收縮變形較小，收縮率在0.6%左右。

圖3可以看出：巷道變形最大值在巷道中部位置，變形最大值為1.73 cm，頂底板的最大值在巷道頂底板中部，底板變形略大于頂板，最大變形為1.45 cm。在目前巷道支護形式下，巷道收縮變形較小，收縮率在0.59%左右，支護對巷道有良好的控制作用。

圖3 480回風大巷圍巖位移

圖4可以看出：巷道變形最大值在巷道中部位置，變形最大值為1.41 cm，頂底板的最大值在巷道頂底板中部，底板變形略大于頂板，最大變形為1.69 cm。在目前巷道支護形式下，巷道收縮變形較小，收縮率在0.705%左右，支護對巷道有良好的控制作用。

2.2.2 圍巖塑性區擴展

提取三種巷道斷面的圍巖塑性區發育情況如圖5所示。

圖5 巷道圍巖塑性區

圖5可以看出：三種巷道斷面的塑性區發育都比較小，其中480材料大巷兩幫中部塑性區最大為1.5 m，頂板塑性區深度為0.6 m，底板為1.6 m。480回風大巷兩幫中部塑性區最大為1.5 m，頂板塑性區深度為0.9 m，底板為1.7 m，頂板塑性區深度最小，小于底板，都在錨桿的錨固區范圍內，錨桿錨固在穩定層位內。480聯絡巷兩幫塑性區最大為1.5 m，頂板塑性區深度為0.9 m，底板為1.6 m，頂板塑性區深度最小，小于底板，三條巷道的圍巖塑性區發育都在錨桿的錨固區范圍內，錨桿和錨索都錨固在穩定層位內。

三種不同斷面巷道采用不同支護形式的數值模擬結果顯示，巷道在設計支護形式下變形收縮較小，收縮率基本控制在小于1%，巷道塑性區較小，小于錨桿錨固位置，錨桿錨固在穩定層位中，巷道頂板塑性區較小，小于1 m，說明錨索加強支護具有良好的主動支護作用，使頂板處于穩定狀態中。

3 實施效果考察

針對現場支護方式的實施效果，在3段巷道內部進行鉆孔窺視，探測巷道圍巖內部裂隙發育范圍，鉆孔窺視圖如圖6～圖8所示。

圖8 480聯絡巷鉆孔窺視

圖6 480材料大巷鉆孔窺視

480材料大巷鉆孔窺視圖可以看出：煤柱內部裂隙多為垂向，為明顯的壓裂裂隙，煤柱內部0～1.2 m處于破碎區，大裂縫分布密集；1.2～1.5 m處有微裂隙，完整性有一定提升；大于1.5 m煤柱較為完整，密實性較好。巷道頂板0～1.1 m有裂隙，其中0.5 m處較為破碎，大于1.1 m深度頂板完整性較高，錨桿、錨索錨固范圍在完整區域內。

圖7 480回風大巷鉆孔窺視

480回風大巷煤柱內部裂隙發育范圍為0～1.2 m，大于1.2 m煤柱密實性較好，0.5 m處煤柱由較大裂縫。巷道頂板0～0.9 m有裂隙，大于0.9 m深度頂板完整性較高，錨桿、錨索錨固范圍在完整區域內。

480聯絡巷煤柱內部裂隙發育范圍為0～1.5 m，大于1.5 m煤柱較為完整，0.5 m處煤柱由較大裂縫。巷道頂板0～1.0 m有裂隙，大于1.0 m深度頂板完整性較高，錨桿、錨索錨固范圍在完整區域內。

表2 圍巖塑性區深度對比

表1 為數值模擬和現場鉆孔窺視實測的巷道圍巖塑性區發育深度對比情況，可以看出兩者對比差距較小，幫部和頂板的監測結果基本一致，顯示出了巷道模擬的可靠性以及支護方式設計的合理性。

4 結 語

本文設計三種斷面巷道的支護設計以及相應的數值校驗過程，通過對巷道支護設計的數值模擬計算得到巷道圍巖變形及塑性區發育情況，并在現場進行現場實測，得到數值計算和現場實測兩者監測結果較為接近，顯示了支護設計的合理性。