相鄰巷道斷面形狀選擇及聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究

裴雁飛，李永軍

（山西馬軍峪煤焦有限公司，山西 長治 046500）

礦井由淺部向深部開采后，巷道圍巖呈現(xiàn)出地應(yīng)力加大、巖層膠結(jié)性差、松散破碎、具有明顯膨脹性、流變性等軟巖特征[1-3]。為減小巷道圍巖變形，可選取合理的巷道形狀進(jìn)行圍巖控制，我國專家學(xué)者對(duì)巷道斷面形狀選擇進(jìn)行了大量研究[4-14]，然而巷道斷面研究往往集中在單個(gè)巷道上，而對(duì)沿空掘巷相鄰巷道的斷面研究較少。曙光礦2 號(hào)煤為高應(yīng)力軟巖，相鄰工作面間采用錯(cuò)層位外錯(cuò)式沿空掘巷巷道布置方式，由于回采巷道服務(wù)周期較短，選用“矩形- 矩形”、“矩形- 異形”、“異形-異形”等斷面，且為相鄰的兩個(gè)巷道，分別取名為上巷和下巷。采用數(shù)值模擬研究下巷開挖后巷道圍巖變形特征、圍巖側(cè)向支承壓力分布和圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律，并采用錯(cuò)層位外錯(cuò)式相鄰巷道聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

1 數(shù)值模擬與參數(shù)

相鄰巷道間斷面形狀組合選取“矩形- 矩形”、“矩形- 異形”、“異形- 異形”3 種形式，如圖1所示。

圖1 巷道斷面尺寸示意Fig.1 Diagram of roadway section size

本文采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，計(jì)算模型沿X 軸方向長度為250 m，沿Y 軸方向長度為40 m，沿Z 軸方向長度為165 m，如圖2 所示。

圖2 FLAC3D數(shù)值模擬模型Fig.2 FLAC3D numerical simulation model

模型約束其四周及底部位移，頂部為自由邊界；在頂部施加13 MPa 的荷載，模擬頂部至地表巖體自重；各巖層的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)詳見表1，模擬研究巷道開挖后圍巖變形特征、圍巖側(cè)向支承壓力和圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律。

表1 各巖層的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock layer

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 巷道圍巖變形特征

從圖3 可看出，“矩形- 矩形”巷道、“矩形- 異形”巷道、“異形- 異形”巷道下巷圍巖表面位移變化曲線大致相同，但由于巷道斷面形狀的區(qū)別，“矩形- 矩形”巷道下巷圍巖位移最大，頂板、底板和幫部分別為298、198、190 mm；“矩形- 異形”巷道次之，頂板、底板和幫部分別為273、190、182 mm；“異形- 異形”巷道最小，頂板、底板和幫部分別為260、183、175 mm。

圖3 下巷圍巖表面位移變化曲線Fig.3 Change curve of surface displacement of surrounding rock in lower roadway

2.2 巷道圍巖側(cè)向支承壓力分布

巷道圍巖側(cè)向支承壓力分布變化曲線，如圖4所示。

圖4 巷道圍巖側(cè)向支承壓力分布變化曲線Fig.4 Variation curve of lateral support pressure distribution of roadway surrounding rock

（1） “矩形- 矩形”巷道、“矩形- 異形”巷道、“異形- 異形”巷道側(cè)向支承壓力變化分布規(guī)律基本一致，在下巷巷道處側(cè)向支承壓力基本重合，接近于零。

（2） 由于接續(xù)面巷道的開挖，使上覆巖層的垂直應(yīng)力發(fā)生分流，出現(xiàn)兩次應(yīng)力峰值，分別位于窄煤柱和接續(xù)面巷道右側(cè)。

（3） 位于窄煤柱處的應(yīng)力峰值，“矩形- 矩形”巷道的垂直應(yīng)力峰值約為18 MPa，“矩形-異形”巷道的垂直應(yīng)力峰值約為17 MPa，均高于原巖應(yīng)力16 MPa，煤柱發(fā)生破壞，煤柱承載力減弱，不利于相鄰巷道間的聯(lián)合支護(hù)，“異形- 異形”巷道的垂直應(yīng)力峰值約為14 MPa，低于原巖應(yīng)力，有利于相鄰巷道間的聯(lián)合支護(hù)。

2.3 巷道圍巖塑性區(qū)分布

不同斷面巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖5 所示。

圖5 不同斷面形狀巷道圍巖塑性區(qū)分布Fig.5 Plastic zone distribution of surrounding rock in different section shape roadway

由圖5 分析可知，巷道圍巖的破壞主要為剪切、拉伸破壞，巷道圍巖兩幫的塑性區(qū)大于頂?shù)装逅苄詤^(qū)。“矩形- 矩形”巷道受偏心壓力影響較大，幫部和幫角易發(fā)生剪切破壞，塑性區(qū)范圍較大。“異形- 異形”巷道整體穩(wěn)定性更好，兩幫承壓均衡受偏心壓力影響較小，主要由兩幫承壓，兩幫和底角容易剪切破壞，圍巖塑性區(qū)較小。

綜上所述，“異形- 異形”巷道相較于“矩形- 異形”巷道和“矩形- 矩形”巷道，其下巷巷道圍巖位移、側(cè)向支承應(yīng)力和圍巖塑性區(qū)最小，故選擇“異形- 異形”巷道作為錯(cuò)層位外錯(cuò)式沿空掘巷巷道斷面形狀。

3 巷道圍巖控制及支護(hù)參數(shù)確定

3.1 巷道圍巖控制技術(shù)研究

采用錯(cuò)層位外錯(cuò)式沿空掘巷相鄰巷道間聯(lián)合技術(shù)，首先對(duì)上巷巷道進(jìn)行適當(dāng)破頂布置，錨桿、索利于打入頂部穩(wěn)定的巖層內(nèi)，更易發(fā)揮懸吊作用[15-16]；同時(shí)，通過向上巷實(shí)體煤側(cè)巷幫打入錨桿、索，對(duì)其進(jìn)行加固，抑制圍巖擴(kuò)容變形，為沿空掘巷頂板支護(hù)創(chuàng)造條件；待上區(qū)段工作面采動(dòng)穩(wěn)定后，對(duì)下巷進(jìn)行沿空掘巷，巷道沿底布置，通過向其頂部打錨桿、索，下巷頂板淺部將形成一個(gè)有效的整體，提高錨固體強(qiáng)度，極大改善巷道頂部支護(hù)效果。

3.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)上巷巷道斷面寬4.50 m，高2.41 ～3.00 m，下巷巷道斷面寬3.50 m，高3.04 ～3.59 m，相應(yīng)的支護(hù)情況如圖6 所示。

圖6 支護(hù)斷面巷道布置Fig.6 Layout of roadway support section

（1） 上巷頂板支護(hù)。采用6 根左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ20 mm×2 200 mm，均使用配套托盤及標(biāo)準(zhǔn)螺母緊固，間排距為800 mm×800 mm，每根錨桿預(yù)緊力大于70 kN。錨索規(guī)格為φ17.8 mm×6 500 mm，間排距為1 600 mm，極限拉斷力270 kN。

（2） 上巷側(cè)幫支護(hù)。采用4 根左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ20 mm×2 200 mm，均使用配套托盤及標(biāo)準(zhǔn)螺母緊固，間排距為700 mm×700 mm，每根錨桿預(yù)緊力大于80 kN。側(cè)幫錨索規(guī)格為φ18.9 mm×9 000 mm，間排距為900 mm×900 mm，極限拉斷力270 kN。

（3） 下巷頂板支護(hù)。采用4 根左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ20 mm×2 200 mm，均使用配套托盤及標(biāo)準(zhǔn)螺母緊固，間排距為1 000 mm×1 000 mm，每根錨桿預(yù)緊力大于70 kN；采用錨索加強(qiáng)支護(hù)，規(guī)格為φ18.9 mm×6 000 mm，間排距為1 200 mm×1 200 mm，極限拉斷力270 kN。

（4） 下巷煤體側(cè)支護(hù)。采用4 根左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ20 mm×2 200 mm，均使用配套托盤及標(biāo)準(zhǔn)螺母緊固，間排距為800 mm×800 mm，每根錨桿預(yù)緊力大于70 kN。

（5） 下巷煤柱側(cè)支護(hù)。采用5 根左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ20 mm×2 200 mm，均使用配套托盤及標(biāo)準(zhǔn)螺母緊固，間排距為800 mm×800 mm，每根錨桿預(yù)緊力大于70 kN。

4 沿空掘巷圍巖控制效果

根據(jù)前文的研究成果，上巷、下巷巷道斷面均采用異形，采用相鄰巷道聯(lián)合支護(hù)方案，選取下巷一段150 m 巷道監(jiān)測其表面位移量，如圖7 所示。

圖7 巷道表面位移監(jiān)測曲線Fig.7 Monitoring curve of roadway surface displacement

由圖7 可以看出，巷道表面位移變形分為3 個(gè)階段，在0～30 m，變形速率較大，位移增加快；在30～110 m，變形速率減緩，但巷道表面位移仍在增加；在110 m 后圍巖變形速率接近于零，巷道圍巖的變形接近最大值。頂板最大下沉量為144 mm，底板最大鼓起量為91 mm，兩幫最大移近量為315 mm。

5 結(jié) 論

（1） “矩形- 矩形”、“矩形- 異形”、“異形- 異形”巷道下巷圍巖位移變形曲線大致相同，但由于巷道斷面形狀的區(qū)別，“矩形- 矩形”巷道下巷圍巖位移最大，頂板、底板和幫部分別為298、198、190 mm；“矩形- 異形”巷道次之，頂板、底板和幫部分別為273、190、182 mm；“異形- 異形”巷道最小，頂板、底板和幫部分別為260、183、175 mm。巷道側(cè)向支承壓力分布規(guī)律基本一致，出現(xiàn)兩次應(yīng)力峰值，“矩形- 矩形”巷道最大，“矩形- 異形”巷道次之，“異形-異形”巷道最小，第一次應(yīng)力峰值分別為18、16、14 MPa，第二次應(yīng)力峰值分別為32、30、26 MPa。

（2） “矩形- 矩形”、“矩形- 異形”、“異形- 異形”巷道圍巖塑性區(qū)基本相同，由于巷道斷面形狀及尺寸區(qū)別，表現(xiàn)出一些差異，上巷塑性區(qū)范圍呈現(xiàn)“矩形- 矩形”＞“異形- 異形”＞“矩形- 異形”，下巷塑性區(qū)范圍呈現(xiàn)“異形- 異形”＞“矩形- 異形”＞“矩形- 矩形”。

（3） 選擇“異形- 異形”巷道斷面，相鄰巷道間采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，選擇了合理支護(hù)參數(shù)，由于相鄰巷道在空間上表現(xiàn)為“一高一低”，相鄰巷道間錨桿、索相互交叉區(qū)域可形成聯(lián)合錨固區(qū)，對(duì)下巷巷道圍巖控制起到較重要的作用，可限制下巷圍巖的變形量。

（4） 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，選擇“異形- 異形”巷道和采用相鄰巷道間聯(lián)合支護(hù)技術(shù)是合理的，頂?shù)装遄畲笠平繛?82 mm，兩幫最大移近量為315 mm，巷道圍巖控制效果好。