淺埋煤層開拓巷道支護優化研究

徐寶軍

（陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司，陜西榆林 719300）

0 引言

我國西北廣泛賦存著淺埋煤田，是21 世紀經濟發展的能源基礎[1]。我國煤礦的開采方式主要以井下巷道工程為主，巷道的穩定及通暢是安全生產的必要條件[2]。掘進工作面作為煤礦生產的重要區域在生產作業中的安全問題更加需要關注。但保障巷道安全暢通導致支護成本增加。因此在安全開采的前提下優化開拓巷道的掘進方式及支護設計，降低巷道延米費用的研究至關重要。郭東明[3]等結合FLAC 數值分析方法與非對稱性耦合支護理論，分析巷道圍巖破壞機理并提出大傾角極軟厚煤層的支護優化方案。王智欣、李曉輝[4-5]等以實際工程為研究對象，結合數值模擬等方法，對相關工程的巷道支護布置等進行優化研究。

煤礦3-1 煤開拓巷道正在掘進，具有支護成本過高等問題。因此，研究采用現場實測、理論分析和數值模擬相結合的方法對煤礦3-1 煤開拓巷道進行支護優化，符合礦區大成本體系建設要求，確保安全的同時降低巷道延米費用，為以后同類型的煤礦生產提供有效的技術支持。

1 開拓巷道圍巖松動圈規律實測及塑性區研究

研究使用三維數字鉆孔成像系統作為圍巖松動圈監測儀器，設置斷面對3-1 煤開拓巷道的不同階段進行三維數字鉆孔成像。分析開拓巷道數字鉆孔內圍巖裂隙發育及破碎情況。鉆孔監測結果及圍巖演化規律見表1，頂板松動圈范圍1.5 m 左右，兩幫松動圈厚0.7 m 左右。由于沒有采動的影響，松動圈基本穩定。考慮到3-1 煤開拓巷泥巖偽頂的賦存條件，為了保證盤區巷道的長期安全實用，3-1 煤開拓巷道具有一定的優化空間，但需調整掘進方式。

表1 開拓巷道圍巖松動圈范圍

2 開拓巷道掘進方案優化研究

由于北二盤區3-1 煤頂板賦存泥巖偽頂，則綜合考慮以下兩種掘進優化方式：①不留頂煤，沿底板掘進，掘煤層（2.7 m）+偽頂（0.7 m）；②留頂煤300 mm，拉底1000 mm，掘煤2400 mm。為了使優化設計更符合實際，故采用布設試驗段的方式對兩種方法分別進行驗證。經過多次現場調研，建議3-1 煤開拓巷道采掘設備由30M4-NP 型連續采煤機更換為MB670 型掘錨機，并配合采用“留頂煤、沿底掘”的掘進方案。設置實驗段后發現該掘進方案及相應支護方案設計滿足開拓巷道長久運營的要求。

3 開拓巷道支護參數優化設計

（1）原有支護形式。原設計采用工程類比法設計，巷道頂板錨桿規格為Φ20×2600 mm，間排距1100 mm×1000 mm，其中每排5 根并施加100 kN 預緊力。頂板錨索規格采用Φ17.8×7300 mm，每排兩根。而幫部錨桿規格Φ18×1800mm，間排距1200 mm×1000 mm，每幫3 根。

（2）考慮松動圈演化的“自然平衡拱理論”支護優化。考慮松動圈演化[6]的自然平衡拱設計理論是在自然平衡拱理論的基礎上提出的。理論假定巷道高度范圍為巖層厚度，巖層以上為巖層。對上覆巖層的作用力進行分類，更加合理的對巷道圍巖支護參數進行設計。以巷道掘進期間時上覆巖層壓力變化規律來分析并進行3-1 煤開拓巷道支護參數的優化設計。根據理論計算，優化后的3-1 煤層巷道支護方式如圖1 所示。

圖1 掘進方式優化后3-1 煤層巷道優化后斷面布置

由于巷道掘進方式優化，斷面尺寸5200 mm×3400 mm 變更為5600 mm×3250 mm。根據理論計算，優化后的具體參數為巷頂板錨桿間排距由1100 mm×1000 mm 優化為1000 mm×1200 mm，頂部最外側錨桿距幫300 mm，每排6 根。頂板錨索間排距由2000 mm×2000 mm 每排兩根優化為2000 mm×2400 mm，“一二一”（三花眼）布置。兩幫錨桿間排距由1500 mm×1000 mm 優化為1500 mm×1200 mm，每幫為2 根錨桿。網片為直徑6 mm 圓鋼，網格80 mm×80 mm。并且由于盤區大巷為永久大巷，且頂板富水，為了保證大巷的長期安全實用，達到本質安全，錨桿索及金屬網均采用新型防腐產品，鋼筋梯字梁換為T 形140 鋼帶，托盤使用新型礦用FRD 鋼托。

4 支護參數優化數值模擬

（1）模型建立。為了驗證理論設計方案的可行性，采用數值模擬軟件FLAC3D 進行驗算。在考慮圣維南原理情況下，建立3-1煤開拓巷道優化支護方案模型，模型尺寸為160 m×84 m×155 m，含實體單元136 080 個、實體單元節點144 485 個。在初始應力平衡后開挖巷道，按照優化后的支護參數施加頂幫錨桿索，錨桿索選用cable 表示。

（2）計算結果分析。圖2 為巷道圍巖的最大主應力分布云圖，從主應力云圖的分布特點來看，整體趨勢正在向“蝶形”分布發展，但尚未形成“蝶形”分布，符合埋深大于100 m 且小于300 m 的煤層實際工況。頂板所受應力分布范圍廣，主要集中于巷道頂板中央處，但在優化后支護體系的作用下，頂板處最大主應力約為0.5 MPa。兩肩角及兩底角為應力集中處，即最大主應力試圖使方形巷道向拱形發展，但在支護體系作用保護下，這種趨勢并不強烈，所以支護方案中靠近肩角布置的錨桿合理且必要。在優化后支護體系保護下，巷道周圍最大主應力遠低于支護體系的承載能力，即使在施工機械擾動等各種作用下，該巷道仍然可靠。

圖2 3-1 煤層巷道圍巖最大主應力分布云圖

圖3 為巷道圍巖最大變形量分布云圖，巷道開挖后圍巖最大變形量主要出現在巷道頂板及底部。由于開挖作用影響，巷道周邊及上覆地層出現整體變形，最大變形出現在巷道頂板及底部而最大變形量約3.7 mm，周邊巖層最大變形僅為0.5 mm。更遠處的圍巖則完全未受擾動，巷道整體穩定性高。主要是因為施工隊使用“沿底掘，留頂煤”的施工工藝，相較放偽頂的施工方式，預留給施工隊噴漿的時間更加充裕，更符合煤礦的生產作業模式，故優化后的支護方式和施工方式是合理的。

圖3 3-1 煤層巷道圍巖最大變形量分布云圖

5 現場工業性試驗研究

以3-1 煤開拓巷道為優化對象，區段采用基于圍巖松動圈理論的支護優化參數。針對巷道的圍巖變形情況，在布置頂板位移監測孔的基礎上，通過使用收斂儀對開拓巷道的頂板及兩幫變形進行量化監測，分析其變形規律與位移特點；通過錨桿索受力監測對開拓巷道的錨桿錨索進行應力監測，分析掘進時其應力變化情況；通過鉆孔應力計對開拓巷道的煤柱進行應力監測，分析煤柱壓力變化的情況。對巷道圍巖監測點進行現場持續觀測，選取兩個斷面位置進行監測研究（表2）。其兩幫收斂最大值為4.83 mm，頂板下沉量最大值為5.76 mm；頂板中間錨桿出現最大受力變化量為2.3 MPa，幫部煤柱最大壓力變化量為1.28 MPa；均處在安全許可范圍內，開拓巷道圍巖基本穩定。說明優化后的支護方案是合理的。

表2 開拓巷道現場監測結果

6 結束語

通過現場實測得3-1 開拓巷道頂煤厚度0.3 m 左右。由于不受采動的影響，頂板松動圈基本穩定。頂板松動圈范圍在1.5～1.8 m。兩幫松動圈范圍約0.35 m；由于該巷道煤頂板賦存泥巖偽頂，通過分析確定其掘進優化方案；通過分析確定3-1 煤開拓巷道優化后的支護設計；通過FLAC3D 有限差分軟件對該巷道錨桿索支護優化進行評價。通過數值計算求解出巷道在支護優化后的圍巖應力、變形等巷道穩定性評價指標，有效地證明支護優化方案的合理性；通過現場工業性試驗表明：3-1 煤開拓巷道圍巖基本穩定。說明優化后的支護方式是合理的，增加煤礦的經濟效應，符合礦區大成本體系建設要求，確保安全的同時降低巷道延米費用。