大斷面巷道掘支工藝優化與圍巖控制關系的研究

崔發發

（山西寧武榆樹坡煤業有限公司，山西 忻州 036700）

1 工程概況

1.1 工作面概況

榆樹坡煤礦2203 工作面主采2#煤層，2#煤位于太原組上部，K2 砂巖下。根據附近巷道揭露煤層情況：煤層厚度為4.6 m，結構較簡單，含夾矸4層，煤層產狀：180°～215°∠0～10°，堅固性系數（f）：1.28，傾角0～9°，平均5°。煤層頂板為砂質泥巖及細砂巖，直接底為砂質泥巖。

2203 工作面南部為2201 工作面（暫未回采），東部為2#煤二采區輔運大巷，西部及北部均為實體煤，無采空區存在。工作面煤層埋藏深度390～420 m。目前正在掘進2203 工作面進風順槽，主要用于2203 回采工作面的進風、運輸、行人等需要，巷道與2201 回風順槽間隔10 m 寬煤柱，設計長度1203 m，斷面設計為矩形，寬為5.2 m，高為4.4 m。

1.2 地質構造

根據三維地震資料及附近2201 進風順槽揭露斷層情況，2203 進風順槽掘進方向存在兩條斷層，分別為T182 正斷層及T183 正斷層，均為A 級斷層。其具體產狀見表1。

表1 斷層產狀

1.3 地質力學測試

為給巷道支護參數及掘進工藝的優化提供合理依據，在2203 工作面附近進行了圍巖強度及地應力的現場測試。結果表明：工作面附近的最大主應力為10.6 MPa，最小主應力為3.9 MPa，圍巖中細砂巖平均抗壓強度為69.35 MPa，砂質泥巖的平均抗壓強度為41.22 MPa，2#煤層煤體的平均抗壓強度為10.68 MPa。

由于巷道斷面較大，加之構造應力的影響，導致巷道掘進時兩幫的軟弱煤體變形破壞較為嚴重，進而影響了圍巖整體的穩定性，因此，需對巷道的掘進方式及支護方案進行優化研究[1-4]。

2 巷道快速掘進方案

2.1 模型建立及模擬方案

為確定合理的掘進、支護方案，采用FLAC3D數值模擬軟件，根據2203 進風順槽的實際地質條件建立模型，模型尺寸為：長×寬×高=40 m×10 m×35 m。為模擬上覆巖層的壓力，在模型頂部施加6.5 MPa 均布載荷，通過位移邊界條件對模型兩邊和底部進行約束，并采用Mohr—Coulomb準則作為煤巖體破壞的依據。

巷道支護參數為：頂板采用Φ20 mm×2000 mm錨桿、Φ17.8 mm×6200 mm 錨索、鋼筋網支護，每排布置5 根錨桿，錨桿間排距1450 mm×1000 mm，每排錨桿間再布置2 根錨索，與錨桿2 眼和4 眼對齊，錨索間排距2900 mm×1000 mm。巷道兩幫采用錨桿、鋼筋網支護，距頂板不大于300 mm 處打第一根幫錨桿，然后自上往下間隔1000 mm打剩余的4根幫錨桿，幫錨間排距1000 mm×1000 mm。

注漿鉆孔布置：主要對巷道兩幫進行注漿加固，各幫布置3 排注漿鉆孔，上下兩排鉆孔分別距頂底板800 mm，鉆孔間距為1400 mm，鉆孔排距為1500 mm，鉆孔直徑均為42 mm，孔深均為6000 mm。靠近頂板的上排注漿孔向上仰斜10°施工，靠近底板的下排注漿孔下扎10°施工，中間的鉆孔垂直巷幫施工。模擬時，錨桿索的力學參數按表2進行賦參，煤巖體及注漿加固后煤體的物理力學參數按表3 進行賦參。

表2 錨桿索力學參數

表3 煤巖體物理力學參數

根據現場實際條件結合以往工程經驗，共設置4 種掘進及支護模擬方案，分別對不同方案下的巷道圍巖穩定性進行模擬。具體方案如下：

方案一：巷道分兩次掘進，先掘出寬5.2 m、高3.2 m 的斷面，然后挖底1.2 m 至設計斷面，頂板及兩幫采用錨桿索支護，巷幫未注漿。

方案二：巷道一次掘進成型，寬5.2 m，高4.4 m，頂板及兩幫采用錨桿索支護，巷幫未注漿。

方案三：巷道分兩次掘進，先掘出寬5.2 m、高3.2 m 的斷面，頂板及兩幫采用錨桿索支護，支護完成后多巷幫進行注漿加固，結束后再挖底1.2 m 至設計斷面。

方案四：巷道一次掘進成型，寬5.2 m，高4.4 m，頂板及兩幫采用錨桿索支護，巷幫進行注漿加固。

2.2 模型結果分析

圖1 為方案一下巷道圍巖破壞特征、應力分布特征及變形情況。

圖1 方案一模擬結果

由圖1 可知，采用方案一進行掘進及支護時，巷道圍巖的破壞主要集中于巷幫，其破壞深度達到了3.1 m，而幫錨桿長度僅為2.0 m，超出了幫錨桿控制范圍，導致支護效果較差；巷幫內存在明顯應力集中，峰值為31.1 MPa；掘進后頂板最大下沉量為232 mm，巷幫最大收縮量為296 mm。

圖2 為方案二下巷道的圍巖破壞、應力分布及變形特征。

圖2 方案二模擬結果

由圖2 可知，采用方案二進行掘進、支護時，巷道頂板的破壞范圍較方案一無明顯變化，但由于巷道是一次掘進成巷，巷幫的變形破壞較為嚴重，其塑性破壞區范圍達到了4.1 m，較方案一時增大了32.3%，且巷幫應力集中峰值較方案一增加了2 MPa 左右，圍巖穩定性差；掘進后巷道頂板的最大下沉量為291 mm，巷幫最大收縮量達到了398 mm，較方案一時分別增大了25.4%及34.5%，圍巖變形量較大。

圖3 為方案三下巷道的圍巖破壞、應力分布及變形特征。

圖3 方案三模擬結果

由圖3 可知，采用方案三進行掘進、支護及注漿時，巷幫的塑性破壞范圍明顯縮小，其破壞深度減小至1.5 m，較方案一時減小了51.6%；巷幫應力集中峰值為27.8 MPa，較方案一時減小了3.3 MPa；圍巖應力環境有所改善，圍巖變形量也較小，其中頂板最大下沉量為200 mm，巷幫最大收縮量為233 mm，較方案一時分別減小了13.8%及21.3%，控制效果最佳。

圖4 為方案四下巷道的圍巖破壞、應力分布及變形特征。

圖4 方案四模擬結果

由圖4 可知，采用方案四進行掘進、支護及注漿時，由于巷道是一次掘進成巷，注漿加固后巷幫的破壞深度為1.8 m，巷幫應力集中峰值為29.2 MPa，其塑性破壞范圍及應力集中程度較方案三時有所增大，但均小于方案一及方案二，說明對巷幫進行注漿加固可有效控制圍巖的穩定性。該方案下，巷道頂板最大下沉量為213 mm，巷幫最大收縮量為249 mm，略大于方案三，但較方案一時分別減小了8.2%及15.9%，圍巖控制效果較好。

綜合數值模擬結果，采用方案三時巷道的變形破壞程度最小，且圍巖應力環境較好，因此確定合理的掘進及支護方案為：分次掘進+錨桿索支護+巷幫滯后注漿。

3 現場應用效果分析

為評價分析掘支方案對圍巖的控制效果，在2203 進風順槽掘進時采用十字布點法對巷道表面的變形情況進行了為期100 d 的監測，監測結果如圖5。

圖5 掘進期間圍巖位移曲線

由圖5 可知，巷道圍巖變形量隨著時間的持續先線性增大后趨于平穩。其中，巷道頂板變形在50 d 后逐漸趨于穩定，其最大下沉量為52 mm；巷道底板變形于60 d 后逐漸趨于穩定，最大底鼓量為75 mm；巷道兩幫變形于70 d 后逐漸趨于穩定，最大移近量為150 mm。整體變形量較小，均在可控范圍內，表明“分次掘進+錨桿索支護+巷幫滯后注漿”的掘支方案可有效保證巷道的穩定性。

4 結論

1）通過數值模擬分析了不同掘支方案下的巷道穩定性，得出：巷道分兩次掘進可減緩圍巖應力的釋放，有利于巷道的維護；同時，配合錨桿索及注漿加固聯合支護可有效提高煤體的承載性能，抑制兩幫煤體的進一步破壞，從而保證巷道的穩定性。

2）現場應用結果表明：采用優化后的掘支方案，巷道頂板的最大下沉量為52 mm，最大底鼓量為75 mm，兩幫的最大移近量為150 mm，整體變形量較小，控制效果顯著。