大斷面回采巷道圍巖破壞特征及控制對策

張 明

(山西晉城無煙煤礦業集團趙莊煤業有限責任公司，山西 長治 046605)

我國厚煤層儲量占煤炭總量的45%以上，開采5 m以上的特厚煤層的生產礦井數占其總數的40.6%，礦井向大型化、機械化發展，掘進大斷面巷道成為必然趨勢。回采巷道主要布置在煤層中，由于煤層厚度的增大，其所處的地質條件也變得極為復雜，大斷面回采巷道的支護問題已經嚴重影響了煤礦安全生產。合理有效的巷道支護技術是保證礦井安全生產、提高掘進速度、降低支護費用的關鍵。

1 工程概況

山西某礦工作面平均埋藏深度為430 m，主采厚度為6.69 m 的 3#煤層，煤層傾角 2°～6°，為近水平煤層，煤層賦存較穩定。煤層中一般含成分為泥巖或炭質泥巖的夾矸0～3層，夾矸厚度一般為0.20 m，節理裂隙發育。老頂為厚度10.75 m的泥巖，直接頂為厚度2.20 m的泥巖或砂質泥巖，直接底為厚4.25 m的泥巖，老底為厚2 m的細粒砂巖。該工作面運輸平巷高4.5 m，寬5.5 m，為大斷面沿底掘進巷道，支護問題較為突出。

2 巷道圍巖破壞特征數值分析

2.1 模擬方案

本文利用FLAC3D數值模擬軟件，采用控制變量法模擬不同高度和寬度下巷道開挖后圍巖塑性區和表面位移變化情況，分析斷面大小對巷道圍巖穩定性的影響。所有方案中巷道均為沿底板掘進，當巷道高度改變時，頂煤厚度也相應發生改變。建立的模型要與現場實際情況相符，為了研究巷道高度變化對巷道圍巖穩定性的影響，巷道寬度定為5.5 m，改變巷道的高度分別為:3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.5 m、6 m;為了研究巷道寬度變化對巷道圍巖穩定性的影響，巷道高度定為 4.5 m，改變巷道寬度分別為:4 m、4.5 m、5 m、6 m、6.5 m、7 m.通過對12 種方案的數值模擬，分析巷道高度變化和巷道寬度變化對巷道圍巖穩定性的影響。

2.2 模型的建立

以工作面運輸平巷地質條件為背景，建立模型，模型的長×寬×高=60 m×10 m×60 m，為提高云計算機運行速度和精度，選擇巷道周邊區域網格較密，遠離巷道區域網格較為稀疏，共劃分43 800個網格，49 654個節點，采用摩爾－庫倫模型，模型采用的煤巖物理力學參數見表1.

2.3 巷道高度變化對圍巖穩定性的影響

從巷道圍巖塑性區模擬結果可知，隨著巷道高度的增加，頂板和兩幫圍巖塑性區逐漸增大，巷道底板塑性區變化不大，而巷道兩幫的塑性區范圍增大較為明顯，巷道頂板及頂角處的塑性區逐漸向兩幫轉移，兩幫塑性區的破壞方式由拉伸破壞逐漸向剪切破壞轉變，巷道圍巖整體的塑性區范圍逐漸增大。巷道高度＜4.5 m時，頂板塑性區范圍減小較為明顯，兩頂角由拉伸破壞逐漸變為剪切破壞，兩幫塑性區緩慢向外擴展;高度＞4.5 m后，巷道頂板塑性區范圍隨高度的增加變化不大，這主要是由于煤層松軟破碎，巷道高度增加時，頂煤厚度逐漸減小，對頂板的影響程度逐漸降低。兩幫塑性區范圍增大較為明顯，最大可達6 m，為控制巷幫塑性區的范圍，必須采用錨索加強對兩幫的支護，且錨索長度≥6 m.

表1 計算采用的煤巖力學參數表

巷道寬度一定時，不同高度下頂板下沉量、底鼓量及左右兩幫的位移量見圖1(巷道兩幫位移量重合)。

圖1 不同巷道高度時圍巖表面位移曲線圖

由圖1可知，隨著巷道高度的增加頂板的下沉量減小，當高度＞4.5 m時頂板下沉量的變化趨勢減小，底鼓量也趨于緩和，兩幫的移近量增大較為明顯;當高度＜4.5 m時頂底板移近量下沉量變化趨勢較大。巷道高度為4.5 m時，與塑性區的變化情況基本一致，可以把高度為4.5 m作為巷道高度的一個分界點。

從以上分析結果可知，巷道頂煤厚度對圍巖的穩定性有一定影響。當巷道頂板煤層較厚時，頂板的塑性區范圍、頂板下沉量都較大，且隨著頂煤厚度的降低，塑性區和頂板下沉量都逐漸減小，所以，在工程設計時，要盡量減小頂煤厚度。巷道高度增加時，兩幫的塑性區和位移量隨巷道高度的增加而逐漸增大，導致兩幫破壞較為嚴重，所以，巷道高度增加時應注意加強幫部穩定。

2.4 巷道寬度變化對圍巖穩定性的影響

從模擬結果可知，巷道高度一定時，不同寬度下兩幫和底板的塑性區范圍變化不大，而頂板的塑性區會隨著寬度的增加而增大。巷道寬度＜5.5 m時，隨著巷道寬度的增加，圍巖塑性區范圍增速較為緩慢;當巷道寬度＞5.5 m時圍巖塑性區范圍增長較快，特別是頂板兩角的應力集中程度較大，破壞較為嚴重。巷道兩幫主要以剪切破壞為主，頂底板及頂板兩角主要以拉伸破壞為主。

巷道高度一定時，不同寬度下頂板下沉量、底鼓量及左右兩幫的位移量見圖2(巷道兩幫位移量重合)。

圖2 不同巷道寬度時圍巖表面位移曲線圖

由圖2可知，隨著巷道寬度的增加，頂板的下沉量逐漸增大，加之頂板拉伸破壞嚴重，因此，頂板支護難度增大。為能有效地控制頂板的變形量，應采用錨索加強支護，以減少頂板的跨度。巷道寬度的增加對兩幫和底板的影響程度較小，但從兩幫位移數值上可知，兩幫移近量隨巷道寬度的增加而增大。結合巷道圍巖塑性區范圍大小，可把寬度為5.5 m作為巷道寬度的一個分界點。

由以上巷道高度和寬度變化對巷道圍巖穩定性影響的分析結果可知:巷道高度增加，對巷道幫部的影響較為顯著，并且對于沿底掘進的煤層巷道，應保證合理的頂煤厚度;巷道寬度增加，對巷道頂板的影響較為明顯。因此，在選擇大斷面巷道支護時，對高幫巷道應加強幫部支護，對大跨度巷道應加強頂板控制。根據數值分析結果，考慮到礦井工作面接替和掘進設備的影響，工作面運輸巷斷面尺寸為高4.5 m，寬5.5 m，比較合理。

3 支護參數的確定

采用理論分析和數值模擬對支護參數進行研究，確定工作面運輸平巷采用錨網索聯合支護，支護參數主要包括錨桿材質、長度、直徑、間排距、預緊力、錨固方式等。

1)材質。巷道的頂板和兩幫均選用屈服強度和極限強度大的高強高預應力錨桿，桿體表面具有凹凸紋理，能夠很好地保證錨桿與錨固劑之間有較大的黏結力，能控制圍巖變形。

2)預緊力。給錨桿施加預緊力能較好地控制圍巖變形，若是施加不當，不能達到理想的支護效果。當預緊力較小時，圍巖變形量會增加較大;而預緊力過大時，控制圍巖的效果不是很明顯，且容易造成桿體破斷。此處確定錨桿的預緊力為40 kN，錨桿螺母上的扭矩為400 Nm.

3)錨桿支護附件。主要有金屬網、托盤、14#鋼筋梯子等。頂板、兩幫配套使用金屬網，托板采用120 mm×120 mm×10 mm高強度托盤;頂托梁:d14雙鋼筋梯子梁，長度為5 300 mm;幫托梁:d14鋼筋梯子梁，長單筋梯子梁長度為3 200 mm，短單筋梯子梁長度為1 200 mm.

4)錨桿(索)支護參數。

a)頂板支護。

頂板每排7根錨桿，間排距850 mm×900 mm，錨桿直徑為22 mm，長度2 400 mm，鋪有金屬網5 700 mm ×1 000 mm，10#鐵絲網規格40 mm×40 mm;采用樹脂藥卷錨固，樹脂藥卷的規格:1支雙速2360、1支Z2360.

b)兩幫支護。

兩幫每排5根錨桿，間排距1 000 mm×900 mm，錨桿直徑20 mm，長度2 400 mm，樹脂藥卷錨固，兩幫鋪金屬網4 700 mm×1 000 mm，10#鐵絲網規格40 mm×40 mm.

c)錨索布置。

錨索間排距1 400 mm×1 800 mm，10#鐵絲網規格40 mm×40 mm，每2排錨桿打3根錨索，錨索直徑18.9 mm，長度7 300 mm，樹脂藥卷錨固長度1 800 mm，每根錨索有1塊規格為300 mm×300 mm×16 mm的高強托盤，配套鎖具、調心球墊。

巷道支護斷面圖見圖3.

圖3 工作面運輸平巷支護斷面圖

4 支護效果評價

為了對高為4.5 m，寬為5.5 m的大斷面回采巷道支護效果進行評價，在巷道表面布置位移監測點，位移監測點布置在巷道頂底板和兩幫的中心。巷道表面位移監測結果見圖4.

圖4 巷道表面位移監測曲線圖

從圖4可以看出，在巷道掘進完成一段時間內巷道表面位移上升速度較快，持續時間大概為10天，隨著觀測站與巷道掘進工作面距離的增大，巷道圍巖變形速度逐漸減小，最終趨于穩定，巷道的掘進影響時間為45 d左右。巷道穩定后，頂底板移近量為60 mm，兩幫移近量為84 mm，可知該支護參數選擇合理，巷道圍巖變形控制效果較好。

5 結語

1)巷道寬度一定時，隨著巷道高度的增加，兩幫塑性區增加較為明顯;頂板位移量隨著巷道高度的增加逐漸減小，兩幫位移量隨著巷道高度的增加而增大，而底板位移量變化不大。

2)巷道高度一定時，隨著巷道寬度的增加，頂板塑性區增加較為顯著;頂板和兩幫位移量隨著巷道寬度的增加逐漸增大，頂板變形增加較快，而底板位移量變化不大。

3)根據大斷面巷道支護設計時，高幫巷道加強幫部支護，大跨度巷道加強頂板控制的原則，工作面運輸平巷采用錨網索聯合支護能有效控制巷道圍巖的變形，保持巷道的穩定。

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