木棚支護條件下的舊巷道斷面刷大工藝優化及錨固支護參數的確定

何 濤，孫伯樂，楊 博

（太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

木棚支護條件下的舊巷道斷面刷大工藝優化及錨固支護參數的確定

何 濤，孫伯樂，楊 博

（太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

陜莊煤礦東回風大巷斷面刷大工程為研究對象,采用FLAC3D數值模擬方法對原木棚支護條件下的巷道斷面圍巖應力分布、拆除木棚支護后的圍巖應力重新分布、不同開挖步驟完成斷面刷大后的圍巖應力再分布特征、以及不同支護順序進行比較研究。分析了刷大工程中頂板及兩幫變形破壞特征，確立了先開挖頂板、后挖兩幫的分步開挖方法及開挖過程中采取的分步支護措施等工藝優化方案。

巷道斷面刷大；開挖方式；支護順序；錨固支護參數

1 巷道斷面刷大工程的背景及需要解決的問題

降低巷道圍巖應力、改善圍巖力學行為特性、采取合理支護措施是巷道圍巖控制的基本途徑[1]。巷道圍巖控制的目標是為了‘在維持巷道穩定性前提條件下實現巷道正常使用’。現以山西煤炭運銷集團西河煤業有限公司陜莊礦東回風大巷為工程背景，巷道原斷面3m×2.5m（寬×高），巷道斷面刷大到4m×3.5m（寬×高）。巷道斷面面積的大小與巷道布置方式和機械化開采的程度高低相互關聯，巷道斷面面積大小直接影響到煤礦產量及生產安全。采用F L A C3D數值分析方法動態模擬施工全過程，得出圍巖和支護結構的應力應變規律，揭示巷道斷面刷大的內在力學機制，并在此基礎上進行研究，提出巷道斷面刷大工程的施工方案及支護措施。

2 巷道工程地質特征、圍巖物理力學參數、數值計算模型概況

該煤礦地處陽城，屬沁水煤田，地質構造條件簡單，煤層傾角平緩，礦井小構造不甚發育、且賦存規律性很強，水文地質條件簡單，是低瓦斯礦井。該礦東回風大巷至地面的平均埋深107m，經過鉆孔取芯及巖芯的物理力學實驗得到表1實驗數據。

采用非線性大變形軟件F L A C3D，選用理想彈塑性模型本構關系，按照M o h r-Coulomb破壞準則。東回風大巷模型中心距左右兩邊界各20m，模型垂直高度23m，巷道軸向長度4m。模型底端施加水平、垂直約束，左右邊界施加水平約束，上端施加上覆巖層自重載荷，網格劃分，見圖1。巷道斷面刷大工程完成后的東回風大巷采取錨網支護。數值計算基本過程如下：（1）在不影響巷道穩定性條件下，拆除木棚支護合理的長度，及圍巖應力變化趨勢。（2)分步開挖方案1，先開挖頂板長度為1m，然后再進行第二步，兩幫同時開挖長度均為0.5m。（3）分步開挖方案2，兩幫同時開挖長度均為0.5m，然后再進行第二步，開挖頂板長度為1m。（4）分步支護方案，采取在開挖頂板后立即初期支護，第二步兩幫開挖后進行二次支護。

3 木棚支護圍巖應力分布及支護拆除后的圍巖應力重新分布

木棚支護是一種被動式支護，頂板上巖層壓力作用于棚梁，而棚腿支撐棚梁以平衡棚梁上巖層壓力。數值模擬模型將木棚支護的支護力簡化為施加在頂板上的均布載荷，該載荷為木棚支護所承受合理壓力的上限值60k N·m2。綜合施工機械安放及巷道穩定性等要求，一次性拆除木棚支護合理長度確定為4m，圍巖應力變化趨勢如下：（1）在拆除木棚支護后頂板圍巖應力增加，而且頂板、兩幫附近的圍巖應力影響范圍擴大，可以看作卸除支護后，圍巖應力重新分布。（2）底板應力集中程度與‘是否拆除支護’無太大關系，而頂板的應力集中程度與‘是否拆除支護’有重大影響，拆除木棚支護后頂板角部應力集中程度得到緩解。

表1 數值計算的巖芯物理力學參數

圖1 數值計算及力學模型

4 巷道斷面刷大工程數值模擬及施工方案的選擇

對于巷道斷面刷大工程來說，選擇施工方案要盡量考慮對圍巖原有應力場的擾動，將開挖圍巖對巷道的穩定性的影響減少到最低程度，尤其對頂板、兩幫都是煤體的全煤巷道而言，巷道開挖使水平應力重新分布后形成頂煤的荷載，而垂直應力形成兩幫的應力集中[2]，而矩形巷道頂板中存在的卸壓區是因為開挖后應力轉移和破壞的必然結果[3]；所以，在頂板上還存在一定厚度煤層的巷道采用一次全斷面爆破施工，可能導致頂板上覆煤層的大面積塌落，因而采納分步開挖施工方法。

圖2 方案1開挖后巷道鉛垂應力等值線圖

圖3 方案2開挖后巷道鉛垂應力等值線圖

圖4 方案1開挖后巷道塑性破壞區圖

圖5 方案2開挖后巷道塑性破壞區圖

采用y=2的模型剖面，分析不同順序擴挖巷道頂板、兩幫的應力變化，例如方案1開挖頂板增加了兩幫的高度，方案2增加了巷道頂板的跨度，具體分析兩種方案所造成的巷道應力變化。由圖2、圖3可知，按照方案1施工，對舊左幫原有應力場擾動較大，對新增幫部擾動并不大，按照方案2施工頂板應力場擾動并不明顯。由圖4、圖5可知，方案1在兩幫所造成塑性破壞區明顯大于方案2，方案2在頂板造成塑性破壞區大于方案1。按照方案1先開挖頂板對兩幫應力場擾動較大，方案2先開挖兩幫對頂板應力場擾動并不明顯；綜合變形破壞特征來看，方案1優于方案2。

5 巷道錨固參數的確定

根據巷道的實際情況，運用煤礦巷道錨固支護的厚錨固板理論[5]，從而得到兩幫錨固支護參數，巷道采用框型整體錨固結構，見圖6，主要支護錨固參數選取錨固強度77k P a，錨桿設計拉斷力100k N，頂錨桿間距0.8m，錨索排距2m；幫錨桿間距0.9m，設計錨桿排距1m，錨固長度0.8m。待二次支護結束后全斷面采用金屬網罩面，網絲用12號鐵絲編制，網眼均呈50mm×50mm左右的菱形。

采用y=2m模型剖面，分析不同支護順序對巷道穩定性的影響，對方案2和方案1分步開挖結束后的同步支護方案模擬可知，頂板分步支護有效避免了第二步開挖對頂板應力場的擾動，從圖7中整體支護方案頂板變形量大于分步支護方案頂板的變形量得到證實。

圖6 東回風大巷斷面支護布置圖

6 結論

圖7 頂板跨中支護順序變形趨勢圖

（1）巷道頂角、底角應力及兩幫高度集中，這些位置是最危險的破壞點，圍巖首先破壞從這些地方開始。所以控制巷道角部及兩幫的破壞是巷道圍巖控制的關鍵。（2）按照方案1先開挖頂板對兩幫應力場擾動較大，方案2先開挖兩幫對頂板應力場擾動并不明顯，綜合變形破壞特征來看方案1優于方案2。（3）巷道采用根據厚錨固理論確定錨固參數，運用F L A C3D分析支護方案的具體應力與位移，得出分步支護方案優于同步支護方案。

[1]楊雙鎖.回采巷道圍巖控制理論及錨固結構支護原理[M].北京：煤炭工業出版社，2004.

[2]賈安立,黃旭.高應力厚煤層全煤巷道錨桿支護研究[J].煤炭科學技術,2005(7)：45-48.

[3]郭志宏,周勁鋒,周榮章,汪理全.綜放全煤平巷錨桿支護模擬試驗研究[J].中國礦業大學學報,1999(6)：569-573.

[4]楊雙鎖.煤礦回采巷道圍巖控制理論探討[J].煤炭學報,2010(11)：1842-1853.

Abstract:On the basis of the cross-section enlargement construction of coal tunnels in Shanzhuangmine,Xihe Coal Co.,Shanxi Coal Transportation and Sales Group,the FLAC3D numerical simulation wasused to compare the surrounding rocks stress distribution in the different conditions as follows:with the origi-nalwooden-shed support,after the removal ofwooden-shed support,after the cross-section enlargement,andwith the different supporting sequence.The deformation damage features of roof and two sides in the construc-tion were analyzed,and then the technique optimization plan was established,including roof excavation firstand then two sides step-by-step excavation and step-by-step supporting used in excavation.

Optimization of Cross-section Enlargement Technique and Determination of Bolted Supporting Parameters in Old Roadways with Wooden-shed Support

HE Tao;SUN Bo-le;YANG Bo
(College of mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Tai yuan Shan xi 030024)

On the basis of the cross-section enlargement construction of coal tunnels in Shanzhuangmine,Xihe Coal Co.,Shanxi Coal Transportation and Sales Group,the FLAC3D numerical simulation wasused to compare the surrounding rocks stress distribution in the different conditions as follows:with the origi-nalwooden-shed support,after the removal ofwooden-shed support,after the cross-section enlargement,andwith the different supporting sequence.The deformation damage features of roof and two sides in the construc-tion were analyzed,and then the technique optimization plan was established,including roof excavation firstand then two sides step-by-step excavation and step-by-step supporting used in excavation.

TD353.6

A

2011-07-27

何 濤（1985—），男，湖北荊門人，在讀碩士研究生，從事礦山支護理論研究。

劉新光