大斷面不穩定巖層巷道支護技術研究

何 寧

（山西焦煤霍州煤電紫晟煤業有限責任公司，山西 霍州 031400）

1 工程概況

紫晟煤業2-1012 巷位于2#煤層一采區，擔負2-101 工作面回風及運料。巷道底板標高為+94～+148 m，對應地表標高+530～+624 m，巷道北部聯接2#煤層一采區膠帶上山大巷，南部為礦井井田邊界，東部為實體煤，西部為2-101 工作面。巷道頂底板巖性較差，直接頂薄層狀以砂質泥巖為主，有星散狀白云母及黃鐵礦，直接底以薄層狀砂質泥巖為主，有黃鐵礦星散。2-1012 巷沿煤層頂板掘進，設計斷面尺寸為5.2 m×4.0 m，凈斷面積為20.8 m2，屬于大斷面不穩定巷道[1-3]。

2 巷道支護方案數值模擬研究

2.1 模型的建立

根據2-1012 巷頂底板巖層賦存情況，采用FLAC3D建立數值模型，模型尺寸為50 m×50 m×5 m，模型上表面施加11.25 MPa（450 m×25 000 kN/m3）垂直應力用以模擬上覆巖層重力，模型其他邊界以位移約束。模型采用摩爾-庫倫破壞準則[4]，煤巖物理力學參數見表1。分別模擬三種不同支護設計方案下巷道圍巖破壞情況及圍巖位移量，從而選擇最優的支護設計方案。

表1 煤巖物理力學參數

結合2#煤層其他回采巷道支護方案，決定采用“錨桿+錨索+金屬網” 的支護方式。目前紫晟煤業常用錨桿的長度為分別為2.2 m 和2.4 m，因此，模擬共采用錨桿長度相同預緊力不同和預緊力相同錨桿長度不同情況下的三種支護方案，見表2。

表2 模擬支護設計方案

2.2 模擬結果分析

2-1012 巷掘進后三種支護方案下巷道圍巖塑性區分布情況見圖1。由圖1可知，三種支護方案下圍巖塑性區均在可控范圍內，即三種方案都可以很好的對巷道圍巖進行控制。但比較三種支護方案可知，支護方案1 條件下巷道圍巖塑性區最為發育，巷道頂底板及兩幫最大破壞深度可達1 m，圍巖以拉伸破壞為主。對比方案1 和方案2 可知，錨桿預緊力對于圍巖的穩定性具有重要作用，預緊力過低將導致圍巖塑性區大范圍發育。對比支護方案3 與方案2 可知，錨桿及錨索長度雖然有所降低，但圍巖塑性區范圍卻變化不大。

圖1 巷道圍巖塑性區分布情況

綜合比較3 種支護方案可以發現，圍巖塑性區發育呈方案1＞方案3＞方案2 的特征。由此可知，錨桿、錨索支護情況下，預緊力對于巷道圍巖控制作用最大，通過適當增加預緊力可以達到控制圍巖塑性區發展，維持巷道穩定性的目的。而相較于預緊力，錨桿、錨索長度對于巷道圍巖控制影響較小，當錨桿、錨索可以打到穩定巖層后，增加其長度對圍巖控制幾乎不再起作用。因此2-1012 巷道采用方案3 不僅可以保證巷道支護效果，而且可以降低支護成本。

表3為3 種支護方案下巷道圍巖變形量。由表3可知，巷道開挖后圍巖將出現不同程度的破壞。方案1 條件下巷道圍巖變形量最大，巷道變形表現為方案1＞方案3＞方案2。方案3 與方案2 相比，雖然方案3 中錨桿長度減少0.2 m，但巷道圍巖變形量相差并不明顯。相較于方案2，方案3 中巷道頂板下沉量僅增大22 mm，底鼓量增大3.0 mm，兩幫移近量分別增大8.2 mm 和2.2 mm。因此，方案3 是技術可行經濟合理的最優方案。

表3 不同支護方案下巷道圍巖變形量

3 現場應用

根據數值模擬結果，紫晟煤業2-1012 巷采用“錨桿+錨索+菱形網” 的支護形式及方案3 支護設計參數。巷道頂板共布置錨桿5 根及錨索2 根；錨桿選用直徑20 mm 左旋螺紋鋼，長度2 200 mm，間排距1 150 mm×1 000 mm，端部錨桿向巷道兩幫傾斜20°，其余錨桿則垂直于頂板布置；錨索采用直徑17.8 mm 鋼絞線，長度8 000 mm，間排距2 300 mm×1 450 mm。巷道正幫采用玻璃鋼錨桿，負幫采用左旋螺紋鋼錨桿，錨桿直徑16 mm，長度2 200 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm，并在巷道正幫吊掛菱形塑料網以防片幫。

圖2 巷道支護設計

為了驗證巷道支護效果，在2-101 工作面回采期間，對2-1012 巷道圍巖變形量進行監測，監測結果見圖3。由圖3可知，巷道未受超前支承壓力影響時，巷道頂板移近量及兩幫移近量基本保持不變，說明該支護方案下圍巖塑性區得到控制，巷道圍巖并沒有進一步劣化。巷道在距離工作面40 m 位置時開始受超前支承壓力影響，此時，巷道頂板移近量最大為92.4 mm，兩幫移近量最大為70.2 mm，巷道圍巖變形量基本位于合理范圍內，表明現有支護能夠保證巷道圍巖穩定性。

圖3 巷道距工作面煤壁不同距離時圍巖移近量

4 結語

通過數值模擬對3 種支護方案下巷道圍巖穩定性進行了分析。模擬結果表明，巷道圍巖塑性區受錨桿錨固力影響較大，增大錨固力可以控制塑性區的發育，達到控制巷道圍巖穩定性的目的。工作面回采期間，對巷道頂板及兩幫移近量監測。結果表明，巷道頂板最大移近量為92.4 mm，兩幫最大移近量為70.2 mm，巷道圍巖變形量基本位于合理范圍內，現有支護能夠保證巷道圍巖穩定性。