古城煤礦大跨度動壓巷道支護技術研究

王鵬宇

（山西潞安礦業（集團） 有限責任公司 古城煤礦，山西 長治 046000）

0 引 言

近年來，伴隨煤炭資源高強度大規模開采，引起的支護問題也隨之顯現[1-4]，尤其對于動壓巷道，其支護難度愈加增大[5-7]。對于大跨度受動壓影響的巷道圍巖控制技術，國內學者做了大量的研究，李沖等[8]針對大跨度切眼，提出“雙微拱斷面”為主體，配合錨網索，加之單體液壓支柱，形成了大跨度巷道減跨有效的控制技術；牛少卿等[9]以煤巷層狀特征頂板作為研究對象，分析了層狀結構頂板特征，表明其易發生剪切破壞并給出破壞機理；李登屹[10]以大跨度動壓巷道為研究目標，分析其特殊的變形、破壞特征；劉奎[11]針對大跨度切眼巷道，由于其頂板下沉量大、深部離層嚴重等礦壓顯現的存在，分析其維護中存在的特點，針對其特性給出相應的技術。本文主要結合現場實際，針對古城煤礦北三盤區輔運大巷，利用數值模擬、現場監測等手段，分析了在巷道跨度不同以及側壓系數的不斷增加的條件下，巷道的變形、塑性破壞面積以及應力變化的規律，結合其規律通過大跨度巷道類型劃分，提出適用于大跨度巷道的高強經濟支護原理，基于此給出試驗巷道的優化支護方案，進行現場應用，分析實測規律。

1 概 況

古城煤礦位于山西省長治市屯留區，以3 號煤為主采煤層，平均6.05 m，煤層傾角7°，煤層頂板為砂巖、泥巖，底板與頂板一致。北三盤區輔運大巷布置如圖1 所示。受到N3301 工作面回采動壓影響，北三盤區輔運大巷為矩形斷面，掘寬6 300 mm，掘高4 950 mm，整體支護方式采用錨網+噴漿的形式。頂板支護錨桿直徑為22 mm，長度為2 400 mm，間距800 mm，排距1 000 mm；幫部錨桿間排距725 mm×1 000 mm；錨索直徑22 mm，長度8 300 mm，4-5-4 布置方式，間排距為1 200 mm×1 000 mm，除肩角、幫角外斜15°，剩余垂直安裝。

圖1 北三盤區輔運大巷布置示意Fig.1 Location of north three panel auxiliary transport roadway

2 大跨度巷道圍巖應力與變形特征分析

大跨度巷道圍巖應力與變形特征和巷道的跨度以及采動應力密切相關，因此需對不同跨度、不同側壓系數條件下，巷道應力與變形特征進行分析。

2.1 模型建立

根據古城煤礦工程地質條件，采用FLAC3D 有限元模擬，考慮邊界影響效應，模型尺寸為45 m×50 m×82 m，模型共有24 000 個單元，如圖2 所示。模型為摩爾庫倫，沿頂掘巷，支護方式為錨桿（索） 支護，上覆巖層等效面力大小為18.75 MPa。巷道埋深500 m，側壓系數λ 分別取0.5、1.0、1.5、2.0，在原支護基礎上，研究巷道跨度Bhd為4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10 m 時，其塑性區、第一主應力、圍巖變形規律。

圖2 數值模擬模型圖Fig.2 Numerical simulation model

2.2 模擬結果分析

圖3 為隨著巷道的跨度增加，λ 的增大，巷道圍巖礦壓變化曲線。模擬結果表明，巷道圍巖塑性區隨跨度、λ 增大而變大，特別是頂板及兩肩角部位塑性區發育范圍變化較大，其余基本不發生變化；第一主應力隨巷道跨度、λ 增大均勻增大，第一主應力集中區域不斷增大，頂板的集中程度最大；巷道變形隨跨度和λ 增大不斷變大，兩幫的變化幅度遠不及頂板。

根據巷道跨度不同、λ 不同，巷道圍巖礦壓分布規律和對應的支護要求，給出大跨度巷道的類型。以古城煤礦工程地質條件為基礎，當側壓系數λ≤1 時，將巷道跨度大于或等于5.5 m 的巷道稱為大跨度巷道；當側壓系數λ＞1 時，將巷道跨度大于或等于5 m 的巷道稱為大跨度巷道。巷道分類見表1。

表1 巷道類型劃分Table 1 Roadway type division

3 大跨度巷道控制技術與方案

3.1 支護原則

根據古城北三盤區輔運大巷具體條件，按照大跨度巷道高強度經濟支護原則，在實現巷道穩定的前提下，支護材料使用最少，剛好滿足巷道支護強度需要。

3.2 低密度高強度支護方案

圖4 為北三盤區輔運大巷優化后的支護方案。錨桿采用MSGLW500/φ22 mm×2 400 mm，短錨索采用φ22 mm×5 300 mm，每排3+4 布置，3 為短錨索個數，4 為錨桿個數，間排距為800 mm×1 000 mm，除肩角、幫角以及底角錨桿外斜15°，其余垂直打設。長錨索采用φ22 mm×8 300 mm，2-3-2 布置，間排距為2 400 mm×1 000 mm。

圖4 北三盤區輔運大巷支護優化方案Fig.4 Support optimization scheme of north three panel auxiliary transport roadway

4 現場工業性試驗

結合大跨度巷道高強度支護方案，將新方案應用在輔運大巷，通過對監測結果進行分析，北三盤區輔運大巷支護效果較好，主要變形發生在5 ～20 d，優化支護方案取得顯著成效（圖5）。

圖5 圍巖變形曲線Fig.5 Deformation curve of surrounding rock

5 結 論

（1） 根據巷道跨度不同、λ 不同，巷道圍巖礦壓分布規律和對應的支護需要，劃分出大跨度巷道的類型。

（2） 提出大跨度巷道高強度支護與控制技術，并給出優化新方案，進行現場試驗，巷道變形小，控制效果顯著。