開拓煤業含水巖層條件下31軌道巷支護技術研究

虎曉宏

(山西潞安集團 蒲縣開拓煤業有限公司,山西 臨汾 041206)

1 工程概況

開拓煤業31軌道巷延伸段是為將31軌道巷延伸至井田邊界及以后工作面運輸所掘的巷道。根據地測部門出示的資料顯示，3號煤層厚度約2.2～2.4 m，有1層夾矸約0.2～0.4 m，結構較簡單，屬穩定可采煤層，煤層呈黑色塊狀，條帶狀和粒狀結構，呈弱瀝青光澤，為光亮-半光亮型煤層。頂板為細粒砂巖，底板為泥巖。31軌道巷掘進工作面水文地質條件簡單，主要充水水源為頂板砂巖裂隙水，巷道掘進及使用期間，頂板淋水較嚴重，31軌道巷延伸段施工長度為196 m。依據開拓煤業31軌道巷以往掘進經驗、支護設計及現場實際情況，在上部含水層影響下，成巷后頂板多處淋水，巷道頂板下沉量較大，局部冒頂、片幫嚴重，需定期進行返修，為避免31軌道巷延伸段出現此類問題，進行31軌道巷延伸段巷道支護設計。

2 含水層對巷道圍巖影響分析

為掌握含水層對巷道圍巖穩定性的影響，查閱相關研究文獻[1-2]，巷道圍巖內力學理論分析模型如圖1所示，假設巷道斷面為圓形，R0為半徑，Rp為巷道圍巖塑性破壞范圍邊界直徑，Rw為含水層承壓水影響范圍半徑，Pw0為原始滲透場水壓。

依據滲流理論，滲透水壓場Pw隨與巷道中心距離r的關系：

(1)

圖1 彈塑性理論分析模型

含水圍巖屬于兩相介質，滿足微分方程：

(2)

式中：α為承壓水壓力系數，材料不透水時α=0，透水時α=1。

圍巖內任一點切向應力：

σθ=K1σr+K2(Ccotφ-αPw)

(3)

巷道表面位置r=R0，σr=Pw，代入公式(3)可得到巷道塑性區內任一點應力計算公式:

(4)

假設巷道圍巖彈性破壞深度r=Rp，邊界面上σrp|r=Rp，距巷道中心無限遠處為原巖應力區，地應力為p，滲透水壓為αPw，于是得到含水條件下彈性區巖體內應力計算公式：

(5)

在圍巖內彈性區、塑性區交界處，即r=Rp，σθp=σθe，σrp=σre，并且：σrp|r=Rp=K1σrp|r=Rp+K2(Ccotφ-αPw)，巷道圍巖破壞遵循摩爾-庫倫準則[3]，可解得圍巖塑性區半徑計算公式：

(6)

從而可得到塑性區邊界處應力峰值計算公式：

(7)

開拓煤業31軌道巷延伸段尺寸寬×高=5.4 m×3.6 m，外接圓半徑為3.25 m，無支護條件下Pi=0，頂底板泥巖內聚力1.2 MPa，內摩擦角28°，巷道平均埋深400 m，原始水壓力Pw0=4 MPa，有效水壓力系數α取0.3，采用單一變量法，由公式(7)得到不同內聚力條件下，圍巖內應力峰值及塑性破壞深度的變化規律如圖2所示。

圖2 含水條件下巷道圍巖受力、破壞特征

由圖2可知，含水條件下，圍巖內應力峰值及塑性破壞深度明顯高于同比無水條件下，隨著巷道圍巖內聚力的增大，有水、無水條件下，巷道圍巖內應力峰值及塑性破壞深度均逐漸減小，開拓煤業31軌道巷延伸段圍巖主要為泥巖，內聚力為1.2 MPa，此時，無水條件下，圍巖內應力峰值23.6 MPa，有水條件下，圍巖內應力峰值32.3 MPa，較無水條件下增大8.7 MPa；無水條件下，塑性區發育深度為1.91 m，有水條件下，塑性區發育深度為2.19 m，較無水條件下增大0.28 m。綜上可知，含水層影響下，巷道圍巖內應力集中程度提高，圍巖塑性破壞深度增大，通過提高圍巖內聚力，可降低圍巖內應力集中程度及塑性區發育深度。

3 31軌道巷延伸段支護設計

根據含水層影響下巷道圍巖破壞特點，并結合31軌道巷原有支護方式，設計其延伸段的支護，提出以下支護優化措施：①增加頂板、兩幫錨桿的錨固深度和強度：無水條件下，塑性區發育深度為1.91 m，有水條件下，塑性區發育深度為2.19 m，原支護錨桿直徑20 mm，長度為2.0 m，錨桿有效錨固長度較小，且在含水層對于錨固效果的弱化作用下，錨桿易失效，且錨桿強度較低，無法提供足夠的預緊力來保證巷道淺部圍巖的整體性，導致頂板冒頂、巷幫片幫等問題，因此優化31軌道巷延伸段頂板及兩幫錨桿直徑22 mm，長度為2.5 m；②合理配置錨索、錨桿：增加頂板錨桿密度，增設幫部錨索，利用錨索能夠錨固在深部圍巖的作用，調動深部圍巖的穩定性控制巷道表面的過度變形；③巷道表面合理噴漿：巷道表面圍巖在含水層作用下，弱化、軟化、松散破碎更加嚴重，采取鋼筋網噴漿支護措施，即可提升巷道淺部圍巖的整體性，同樣有利于發揮錨固體的殘余支撐強度。

結合以上措施，開拓煤業31軌道巷具體支護參數：頂板錨桿為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，D=22 mm，長2.5 m，托板為120 mm×120 mm×8 mm的鋼板鐘形托板，間、排距為1.0 m，靠近肩角處錨桿間距0.6 m，與豎直方向夾角30°，頂板鋼筋網選用直徑6 mm的鋼筋焊制，網孔規格100 mm×100 mm，用16號鐵絲聯結，雙絲雙扣，隔孔相連。組合梁直接214 mm圓鋼焊制的7孔鋼筋梯子梁；頂板錨索直徑15.6 mm的預應力鋼絞線，長度6.5 m，托板為300 mm×300 mm×12 mm的鋼板鐘形托板，間距為1.0 m，排距為2.0 m；幫錨桿規格型號同頂錨桿，間、排距1 m，組合梁規格D14-3-80-2 300 mm，D14 mm圓鋼焊制的3孔，寬度為80 mm，長度為2 300 mm的鋼筋梯子梁。頂板和兩幫噴射混凝土厚度為100 mm，混凝土標號C20，鋪底厚度為20 mm，混凝土標號C30。31軌道巷延伸段支護如圖3所示。

4 31軌道巷聯合支護技術效果模擬研究

根據開拓煤業31軌道巷延伸段具體條件，采用FLAC軟件模擬含水層下巷道掘進支護[4]，一定程度上驗證所設計支護的有效性和合理性，結合具體的地質條件建立三維模型，模型長(X軸)、高(Z軸)為60 m，厚(Z軸)為6 m，模型上方模擬400 m埋深，巖層平均容重取2 500 kg/m3，模型頂面設置7.5 MPa垂直向下的均布載荷，31軌道巷斷面尺寸寬×高=5.4 m×3.6 m，煤層上覆巖層開啟Config fluid滲流模式，采用cable單元模擬錨桿錨索，巷道圍巖孔隙率為0.3，水的密度為1 000 kg/m3，巷道周邊巖體內設定400 m埋深的孔隙水壓力，然后巷道開挖與支護同步進行。得到含水巖層下31軌道巷延伸段圍巖垂直位移、水平位移分布云圖如圖4所示。由圖4可以看出，錨網噴聯合支護作用下，頂板中部最大下沉量為133.7 mm，底板中部最大底鼓量為103 mm，兩幫最大相對移近量為124 mm，巷道圍巖整體變形量很小，由此可以說明，錨網噴聯合支護能夠有效保障巷道圍巖的長期穩定。

圖4 數值模擬結果

5 實地應用效果考察

開拓煤業31軌道巷延伸段采用上述支護方式掘巷期間，為考察支護質量確保巷道安全，采用十字布點法監測巷道表面變形情況，整理得到原支護方案、優化后支護方案巷道表面變形量對比如圖5所示，改進后的支護方案條件下，軌道巷表面變形量均明顯減小，頂板下沉量原有支護條件下達到398 mm，改進支護方案條件下為100 mm，原有支護條件下底板底鼓量達到152 mm，改進支護方案條件下為93 mm，兩幫變形量也明顯減小，改進支護條件下，巷道表面位移量在合理范圍內，支護效果良好。

圖5 31軌道巷表面變形特征

6 結 語

文章以開拓煤業31軌道巷延伸段掘進為背景，通過理論計算、數值模擬、工程應用等方法，研究含水層下巷道支護技術，得到如下結論：

1) 含水層影響下，巷道圍巖內應力集中程度提高，圍巖塑性破壞深度增大，通過提高圍巖內聚力，可現在降低圍巖內應力集中程度及塑性區發育深度。

2) 提出增加頂板、兩幫錨桿的錨固深度和強度、合理配置錨索、錨桿巷道表面合理噴漿等方法優化支護方案。

3) 巷道掘進期間，頂板下沉量為100 mm，底板底鼓量93 mm，兩幫移近量112 mm，采用錨網噴聯合支護技術有效控制巷道表面的位移，能夠保障31軌道巷延伸段的長期穩定。