沿空巷道支護方式及參數優化研究

徐紅剛

(山西潞安化工集團有限公司 古城煤礦，山西 長治 046100)

長期以來，煤炭始終占據我國一次能源生產、消費領域的主導地位[1]，隨著開采強度以及開采深度的逐年增加，為提高資源的回采率，礦井常采用沿空掘巷的方式進行巷道布置[2-3]。隨著開采采深的增加，深部煤炭資源開采過程中應力分布以及動力顯現特征相較于淺部資源表現出明顯的差異，表現為采掘空間動壓顯現頻繁且由于高靜壓以及動壓擾動，沿空巷道失穩變形嚴重，圍巖穩定及控制問題尤為突出[4-8]。

巷道作為礦井生產、運輸的重要通道，承擔通風、運輸等任務，若變形嚴重，動壓顯現頻繁，將對礦井安全生產構成威脅[9]。古城煤礦主采煤層為3號煤層，在淺部開采時礦井工作面回采巷道，采用錨桿、錨索聯合支護方式，巷道變形量以及動力顯現均較少，支護效果良好。隨著下部工作面開采，由于采深的增加以及臨近上側采空區，受采空區頂部支承壓力的影響，回采巷道在開掘之初，鉆場以及巷道變形量大，原有支護方式以及支護參數不能滿足巷道的行人生產要求，在此情況下，亟需地質以及開采角度進行優化設計，從而構建確立一個支護效果良好的支護方案，為本礦井深部臨空巷道的支護設計提供參考。

1 工程概況

古城煤礦1306工作面主采3號煤層，1306工作面回風巷道布置在3號煤層中，施工時已揭露該煤層。3號煤層埋深為520～642 m，煤層厚度3.35～9.75 m，平均厚6.5 m，工作面采煤高度3.8 m，放煤高度2.70 m，采放比為1∶0.71.煤層傾角1～10°，平均傾角為5°.煤層直接底為砂質泥巖，厚度約3.85 m，基本底是厚度為5.24～10.23 m的細粒砂巖，以石英為主，單軸抗壓強度為23.85 MPa.直接頂為砂質泥巖，厚度為8.56 m，深灰色，含有完整植物化石；基本頂則以中粒砂巖以及細粒砂巖為主，厚度13.46 m左右。

1306工作面回風巷道臨近1305工作面采空區，工作面回風巷道為矩形斷面，寬度5.20 m，高度3.80 m，掘進斷面19.76 m2.

2 工作面巷道圍巖穩定性分析

研究表明[10-13]，矩形巷道圍巖松動圈計算方法可類比等效圓形巷道進行近似計算，根據彈性力學及Mohr-Coulomb準則，在靜水壓力作用下，圓孔周圍彈性區以及塑性區徑向應力(σr)以及切向應力(σθ)分別如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

由圍巖彈、塑性區相等條件，聯立上式可得圓孔周圍塑性區半徑R：

選取我院2017年1月—2018年1月收治的30例黃疸型病毒性肝炎患者為研究對象，隨機分為觀察組與對照組，各15例。觀察組男性8例，女性7例，年齡30～65歲，平均年齡（42.5±3.5）歲；對照組年齡31～66歲，平均年齡（43.0±3.5）歲；所有患者均已通過相關檢測，符合黃疸型病毒性肝炎診斷標準，排除其他傳染性疾病，經我院倫理委員會同意，簽署知情同意書，其性別、年齡、基礎疾病等一般資料經統計學分析均差異無統計學意義，P＞0.05，有可比性。

(5)

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(8)

式中：g為矩形巷道高度，m；h為矩形巷道寬度，m；R1為矩形巷道頂板松動圈半徑，m；R2為矩形巷道兩幫松動圈半徑，m.

代入1306工作面回風巷參數，p0=13.00 MPa；C=3.2 MPa；φ=35 ° .需要說明，由于該工作面巷道為矩形斷面，在此采用等效近似法由工作面高度以及寬度g=3.8 m,h=3.8 m，計算可得,1306工作面等效圓形巷道半徑為R0=3.22 m，巷道塑性區半徑R=3.83 m，矩形巷道頂板松動圈影響范圍R1=1.93 m，兩幫松動圈影響范圍R2=1.23 m.

首先通過向巷道兩幫以及頂板垂直施工孔深為2～3 m、孔徑為42 mm的鉆孔，其次通過鉆孔窺視儀對巷道圍巖兩幫以及頂板進行窺視。經過現場觀測得出，巷道頂板及兩幫松動圈影響范圍分別為2.33 m、1.56 m，與理論計算值相近。根據松動圈圍巖分級支護理論[14]，1306工作面回風巷屬于Ⅱ、Ⅳ類中等穩定和不穩定巷道，應采用錨桿、鋼帶、錨網以及錨索聯合支護。綜上所述，3號煤層巷道按照圍巖松動圈理論分類為中等穩定巷道-不穩定巷道。

3 支護參數數值模擬

3.1 模型建立及方案

通過數值模擬對1306工作面回風巷采用不同支護參數情況下巷道應力分布及變形進行數值模擬，研究支護參數對于巷道圍巖穩定性的影響，并確定1306工作面回風巷支護參數，采用FLAC3D建立三維計算模型，模型尺寸為100 mm×50 mm×130 mm，根據工作面埋深，在模型頂部施加10.5 MPa垂直方向應力，采用Mohr-Coulomb準則作為煤巖體破裂屈服判據。根據礦井地質資料以及煤巖體物理力學參數測試結果，模型物理力學參數見表1.

表1 模型巖體力學參數

首先模擬臨近1305工作面開采，待開采完畢，模型應力平衡后，對1306工作面回風巷道進行掘進，并采用錨桿、錨網、錨索以及鋼帶進行聯合支護，記錄分析支護后巷道周圍應力分布情況以及變形情況，對圍巖穩定性進行分析。

3.2 數值模擬結果分析

如圖1所示,巷道圍巖均出現了不同程度的應力集中現象，應力增量主要集中于頂板以及兩幫，存在沿某一應力主方向貫穿巷道分布的特征。

圖1 不同支護參數下巷道圍巖應力分布圖

隨著巷道錨桿間排距的減小，當錨桿間排距采用800 mm×800 mm布置時，巷道頂板以及兩幫應力集中區域面積明顯減少，且應力峰值相較于前者存在明顯下降趨勢，峰值應力為20.31 MPa，應力集中系數為1.55，巷道圍巖應力呈“蝶形”分布特征，在巷道右上側以及左下側呈對稱分布，在巷道右幫仍有應力疊加影響區域。而當錨桿間排距采用600 mm×600 mm布置時，巷道圍巖應力集中區域明顯減少，應力峰值僅為17.64 MPa，應力集中系數為1.35，相較于前者應力顯著降低。

不同支護參數下巷道圍巖位移分布圖如圖2所示。巷道圍巖在頂、底板兩幫均出現明顯變形位移情況，呈現出以下特點：首先巷道頂板位移量大于兩幫，即頂板穩定性是回風巷穩定性的關鍵；其次巷道上部的位移量大于巷道下部的位移量，位移量整體呈倒梯形分布，隨著巷道支護參數的提高，巷道位移分布規律基本類似。

圖2 不同支護參數下巷道圍巖位移分布圖

巷道錨桿采用1 000 mm×1 000 mm間排距布置情況下，巷道頂板最大位移量達915 mm，且最大位移處于巷道中央，支護效果較差，在兩幫上側臨近巷道角部，存在兩處對稱分布位移量較大區域，巷道底板也存在此種分布特點。隨著錨桿支護間排距的縮小，當間排距為800 mm×800 mm時，巷道頂板位移量明顯減少，僅在頂部巷道壁處存在少量位移量較大區域，巷道圍巖整體位移量較小，平均位移為453 mm.當支護密度為600 mm×600 mm時，變形仍集中于巷道頂板中央處，巷道兩幫以及底板位移量顯著減少，巷道兩幫位移量為153 mm，頂板位移量為220 mm，圍巖僅在巷道頂角部存在少量移進現象。即隨著巷道支護密度的增加，巷道圍巖變形量減少，圍巖穩定性提高，從非穩定逐漸轉換為穩定巷道。

綜上所述，對比分析不同參數下，巷道圍巖應力以及位移分布規律，得出1306工作面巷道錨桿間排距采用600 mm×600 mm布置時，從應力以及變形角度，均可以滿足巷道圍巖穩定性控制，從安全角度考慮應選取此種支護參數對1306工作面回風巷進行支護。

4 現場監測結果分析

對1306工作面回風巷道支護參數優化后，采用布置測點的方式對掘進期間圍巖變形量進行觀測。巷道掘進期間圍巖位移參數如圖3所示。巷道掘進期間，巷道頂板、左幫、右幫累計變形量分別為272.36 mm、124.00 mm、196.5 mm，經過對巷道支護參數進行優化后，巷道變形量相對較小，圍巖穩定性較好。

圖3 巷道掘進期間圍巖位移圖

巷道回采期間圍巖位移參數如圖4所示。在距離工作面0～42 m范圍內，每間隔2 m對巷道圍巖變形情況進行觀測后可知，頂板位移量明顯高于巷道兩幫，巷道最大變形量為40 mm，距離工作面0 m后，巷道變形量逐漸趨近于穩定。由此可知，采用此種支護形式以及支護參數，工作面回風巷道圍巖穩定。

圖4 工作面回采期間圍巖位移圖

5 結 語

1) 對古城煤礦1306工作面回風巷道圍巖松動圈進行計算，得出巷道頂板、兩幫圍巖松動圈距離分別為1.93 m和1.23 m，巷道圍巖穩固性等級為中等穩定巷道-不穩定巷道，并確定巷道應采用端錨或全錨形式，配合鋼帶、錨網索進行支護。

2) 通過數值模擬對回風巷道采用600 mm×600 mm、800 mm×800 mm與1 000 mm×1 000 mm間排距布置情況下，巷道圍巖應力及變形進行模擬。結果表明，巷道錨桿采用600 mm×600 mm時巷道應力集中程度低，且圍巖變形量較小。

3) 根據掘進以及回采期間巷道圍巖變形量實測結果，在巷道掘進期間，頂板、左幫、右幫累計變形量分別為272.36 mm、124.00 mm、196.5 mm，回采期間巷道單日最大變形量為40 mm.