軟巖巷道頂板聯合支護優化設計方案研究

康錫明

山西介休義棠倡源煤業有限公司 山西 介休 032000

1 前言

隨著多年的開采，埋深較淺的煤層已經逐步得到開采，目前的開采重點逐步向著深部煤層轉移，所以煤炭采深逐步上升。深部煤層占煤炭總量的一半以上，且大多分布在華東、東北及華北等地。在進行深部煤層開采過程中，由于高應力的存在，使得圍巖變形較大，巷道支護難度提升。軟巖巷道由于其圍巖自身強度較低，所以其自穩能力較差，所以在進行深部軟巖煤層開采時，常常由于高應力及低自穩的特征使得圍巖變形較大，頂板出現大幅度下沉、兩幫劇烈收斂等[1-2]。為了解決深部軟巖煤層巷道圍巖變形較大的問題，本文基于前人的研究[3-4]，對其支護進行研究，通過數值模擬軟件對支護參數進行合理分析，并對現有支護進行一定的研究，為深部軟巖巷道支護方案優化設計提供一定的參考，為礦井安全開采做出一定的貢獻。

2 礦井概況及支護優化分析

倡源礦位于山西介休市連福鎮，井田面積為4.07km2，設計生產能力為90萬噸/年，現采煤層9#、10#、11#，110502工作面主要開采10#煤層，煤層平均厚度3.6 m，結構較為復雜，煤層中含 0～3 層夾矸，根據煤層厚度，目前礦井采用長壁采煤機綜采一次采全高采煤法，同時采用全部垮落法管理頂板。根據對5號煤軌道下山巷道的直接頂進行巖性測定，發現圍巖內泥質砂巖和泥巖高嶺土比例較大，僅有少量伊利石和蒙脫石，抗壓強度38.2 MPa。屬于軟巖巷道。在5號煤軌道下山巷道內部布置測點，用于監測巷道圍巖變形情況，監測數據如圖1所示。

圖1 原支護方案下巷道圍巖變形曲線

圖2 原支護方案及優化支護方案斷面圖

從圖中可以看出，隨著監測天數的不斷增大，此時巷道圍巖的變形量呈現逐步增大的變化，在監測天數為180天時，此時的巷道圍巖變形量來到最大值，分別為底臌量445.3 mm，頂底板相對位移量 868.5 mm，兩幫移近量達到 725.2 mm。通過對以上監測數據進行分析，可以看出，目前 5 號煤下山巷道變形破壞十分嚴重，現有支護無法滿足巷道穩定性要求，所以需要對現有支護進行優化，解決煤礦巷道圍巖變形大的問題。

利用 FLAC3D 數值模擬軟件進行支護模擬分析，根據巷道實際地質情況，建立深部巷道應力模型，FLAC3D 數值模擬是美國 ITASCA 公司開發的計算軟件，其在巖土力學中應用十分廣發。根據巷道各層巖石實際情況，建立摩爾-庫倫計算模型，模型 尺寸為 30×30×12 m ，對 X、Y 方向進行固定約束設定，同時對Z方向的下部進行固定約束設定。巷道斷面為寬度 4500 mm，高度 3550 mm的半圓拱型，在巷道的上方埋深 800m，計算可得自重應力 18 MPa，測壓系數1.05，重力加速度設為 9.8 m/s2，錨桿、錨索采用cable 結構單元。設定錨桿直徑為20mm，預緊力為500kN，的錨固長度 3 m，錨索長度直徑20mm，預緊力200kN，長度為 6.3 m。完成數值模擬模型的建立，根據原有支護方案，結合相似經驗，設定如下支護方案，原支護方案為錨桿支護，選定錨桿直徑為20mm，長度為3000 mm，頂板、兩幫錨桿間排距均為 800×800 mm，錨桿的預緊力為 200 kN。優化后支護方案為錨桿、錨索聯合支護。錨桿直徑 20mm，長度為3000mm，兩幫及頂板間排距800×800 mm，預緊力 500 kN；同時錨索直徑為20mm，長度為6.3 m，頂板、兩幫錨索間排距均為1600×1600 mm，錨索的預緊力為 200 kN。原支護及優化支護斷面圖如2所示。

對兩種支護方案下的巷道垂直位移及水平位移分布情況進行模擬分析，模擬結果如圖3所示。

圖3 原支護及優化支護下垂直水平位移云圖

如圖3所示可以看出，對比巷道垂直方向的位移云圖，可知在選用原支護方案時，此時的巷道頂板底板的位移量最大值分別為 674.54mm、121.50mm，頂底板移近量為796.04mm。而當經過支護優化后，此時的巷道頂部及底板的變形量分別為119.85mm、11.51mm，頂底板移近量達到了131.36mm，對比分析可知，在經過方案優化后，此時的巷道頂底板移近量下降了 83.49%，底板底鼓量減少了90.53%，頂板位移量減少了82.23%。對比巷道水平位移云圖，可以看出，在原支護方案下，此時的巷道左幫及右幫的位移量分別為 322.78mm、 322.52mm，兩幫的移近量為645.30mm，經過支護優化后，此時的巷道左幫右幫位移量分別為42.60mm、 42.65mm，兩幫移近量為 85.25mm，兩幫的變形量分別為左幫下降了86.80%，右幫下降了 86.78%，總體兩幫移近量下降了86.79%。所以可以得出，經過支護優化后，此時的巷道圍巖變形量得到了較為有效的控制，支護優化方案可行。

3 應用分析

為驗證支護方案效果，觀察巷道圍巖巖體穩定性，因此選定一段試驗段進行圍巖變形分析，在優化支護方案下，通過觀測站對圍巖表面位移量進行監測并記錄，觀測時間為 180 天，數據記錄時間間隔5天，匯總優化支護方案后的巷道圍巖表面位移曲線如圖4所示。

圖4 支護優化方案下巷道圍巖變形曲線

由圖4可知，隨著監測天數的增大，此時的巷道圍巖變形量呈現先增大后平穩的趨勢，在監測天數90天以前時，此時的巷道圍巖變形量快速增大，而在監測天數大于90天時，此時的巷道圍巖變形量幾乎不發生變化，巷道變形趨于穩定，此時的巷道底臌量最大值為 226.3，巷道的兩幫移近量為 364.1mm，頂底板移近量為 443.3mm。整體可以看到，經過支護優化后，此時的圍巖穩定性得到一定的提升，但整體控制效果未達到模擬結果預期，但仍比原支護方案有了較大幅度的提升，保證了井下安全和生產效率。

4 結論

1）經過對原支護方案下巷道位移變形進行監測，發現原支護下頂底板相對位移量 868.5mm，兩幫移近量達到 725.2mm，根據變形情況給出相應支護優化方案。

2）對支護優化方案進行模擬分析，發現頂底板移近量達到了131.36mm，較原支護方案下降了83.49%，兩幫移近量為85.25mm，兩幫移近量下降了86.79%。

3）隨著監測天數的增大，此時的巷道圍巖變形量呈現先增大后平穩的趨勢，巷道底臌量最大值為226.3，巷道的兩幫移近量為364.1mm，頂底板移近量為443.3mm，支護優化方案可行。