賀西煤礦三采區運輸巷擴刷變形分析與控制

肖海濱

(1.中國礦業大學(北京)能源與礦業學院，北京 100083；2.山西汾西礦業集團有限責任公司賀西煤礦，山西 呂梁 033300)

近年來，隨著安全高效礦井的建設與發展，新技術、新設備、新工藝在我國煤礦不斷推廣應用，對大巷斷面、生產能力、安全措施等均提出了更高的要求，迫使對原有大變形巷道進行擴刷改造與二次修復。

我國學者針對大變形、擴刷修復巷道等已經做了大量研究，如康紅普等[1]、謝生榮等[2]針對深部大變形巷道，分別采用數值模擬軟件詳細分析了圍巖變形破壞機制，提出錨桿索+注漿等聯合支護技術對軟巖巷道圍巖進行有效支護與加固；喬衛國等[3]運用模擬定量分析了深部高應力作用下大斷面嚴重變形巷道圍巖力學特性，確定了巷道圍巖擾動影響范圍，通過合理設計支護參數有效控制了巷道圍巖變形；吳愛祥等[4]、黎勁東等[5]、張凱等[6]對軟弱巖層巷道圍巖變形破壞原因及機理進行研究，針對原有大變形破壞失穩巷道進行了合理擴刷與修復施工；王立平等[7]模擬了斷層影響下嚴重破壞區巷道圍巖構造應力分布特點，提出的非對稱支護技術使大變形巷道圍巖得到有效控制；朱利民[8]研制了一種深部大變形巷道圍巖擴刷修復機器，節省了人員的同時修復進尺速度明顯提升。

上述研究成果為巷道圍巖變形分析與穩定性控制奠定了良好的基礎，并取得了巨大的經濟和社會效益。本文針對賀西煤礦4#煤層三采區皮帶運輸巷亟需擴刷修復施工，通過分析擴刷施工后斷面增大巷道圍巖控制難點，運用FLAC3D軟件模擬了巷道擴刷前后圍巖鉛直應力與塑性區的分布特征，對巷道淺表面圍巖破壞深度進行分析，提出擴刷后巷道采用錨桿索+注漿+U型鋼棚等組合支護技術，有效保障了巷道圍巖穩定。

1 工程地質條件

1.1 地質概況

汾西礦業集團賀西煤礦位于山西省柳林縣東南部約15 km。三采4#運輸巷位于山西組4#煤層中，埋深大約400 m，為沿煤層頂板掘進的開拓巷道，主要擔負三采4#煤層工作面出煤運輸。運輸巷頭部皮帶機頭前后段巷道寬度約2.8 m，巷高2.4 m，該段巷道經受部分回采工作面采動影響作用。4#煤層地質構造簡單，無水害等威脅，4#煤層頂底板柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層頂底板柱狀圖Fig.1 The histogram of coal seam roof and floor

通過對賀西煤礦現場實地調研可知，運輸巷擴刷修復的必要性在于：首先，由于運輸巷內皮帶機頭前后段巷道出現幫臌開裂以及拱頂彎曲下沉等現象，頭部皮帶機頭小斷面巷道凈寬最窄處已不足2.6 m，嚴重影響皮帶的鋪設使用；其次，當前運輸巷內皮帶輸送機運輸能力不能滿足礦井實際生產需求，需對皮帶輸送機進行更換改造。為滿足新型皮帶輸送機的鋪設要求，需對皮帶運輸巷頭部皮帶機頭47.4 m、二部皮帶機頭175 m、四部皮帶機頭前后段870 m、皮帶機尾段310 m，以及巷道內局部區段進行擴刷施工。限于篇幅，本文只對運輸巷頭部皮帶機頭部分斷面巷道進行詳細研究。

1.2 巷道變形與破壞分析

隨巷道斷面增大，巷道頂板形變及其應力變化近似呈立方和平方的關系急劇增長，巷道圍巖破壞范圍急劇增大。通過現場調研結合理論分析，現將擴刷后運輸巷圍巖控制難點歸納[9-10]。

1) 圍巖變形增大。由于擴刷后巷道斷面增大，地應力作用下拱頂下沉與兩幫內擠明顯加劇，巷道破壞范圍加大，進而容易引起支護構件錨桿索等的錨固性能降低。

2) 變形持續時間長。運輸巷頭部皮帶機頭部分斷面巷道由于受復雜地應力條件影響，導致擴刷后斷面增大巷道變形持續存在。

3) 巷道圍巖控制難度加大。與小斷面巷道相比，擴刷后的大斷面巷道頂板淺部拉應力更加集中，很容易發生受拉破壞；同時，巷道兩幫受載成倍增加，極容易發生垮幫現象，破裂區、塑性區范圍增大，很難找到錨桿、索錨固的穩定巖層，圍巖控制難度顯著增加。

2 運輸巷擴刷前后圍巖變形數值分析

2.1 數值模型建立

為分析賀西煤礦三采4#運輸大巷圍巖變形程度，采用FLAC3D5.0數值模擬軟件對巷道擴刷前后圍巖變形進行模擬研究。擴刷施工前運輸巷頭部皮帶機頭段直墻半圓拱形巷道尺寸為2.8 m×2.4 m(寬×高)，擴刷后巷道凈寬4.0 m，巷高3.5 m，直墻凈高為1.5 m，巷道埋深大約為400 m。模型尺寸為100 m×20 m×80 m(長×寬×高)，共劃分為583 881個節點和560 000個網格，數值計算模型如圖2所示。本構關系為庫侖-莫爾模型，模型上部施加巖層自重載荷為10.0 MPa，側壓系數取1.2。與巷道軸線相垂直方向代表模型x軸方向、y方向為巷道軸線方向，豎直方向代表模型z軸，模型y方向前后邊界、x方向左右邊界速度為0，下部邊界x、y、z三個方向速度均為0。巖層物理力學參數見表1。

2.2 擴刷前后巷道圍巖鉛直應力分布

巷道圍巖變形分析中，鉛直應力、水平應力及剪應力等是圍巖破壞分析的主要指標，限于文章篇幅，本文以鉛直應力作為巷道變形分析指標，對擴刷前后巷道圍巖鉛直應力分布進行模擬研究，圖3為擴刷前后巷道圍巖鉛直應力對比圖。由圖3可知，巷道擴刷前后圍巖鉛直應力分布形態相似，圍巖鉛直應力主要集中于巷道兩幫，兩幫應力集中區近似呈“耳朵”狀對稱分布。巷道兩幫由淺表面向深部延伸，鉛直應力演化呈先緩慢增加，后急速增大至極大值，峰值后鉛直應力緩慢減小，最終趨于原巖應力；巷道頂底板出現拉應力集中區，拉應力最大值位于巷道近表處，隨距離向巷道深部延伸，應力呈先快速降低，之后降低速度減緩，最終趨于原巖應力。將擴

刷前后巷道圍巖鉛直應力分布云圖進行比對可以看出：①擴刷前拱形巷道兩幫應力集中區距離巷道邊緣約2.8 m，距離大于2.8 m時，應力逐漸減小；②擴刷后巷道兩幫應力集中區由擴刷前的2.8 m增加至3.4 m，超過3.4 m后圍巖逐漸趨于穩定，擴刷后巷道頂底板拉應力分布范圍略大于擴刷前的巷道。

圖2 數值計算模型Fig.2 Numerical model

表1 巖層力學參數Table 1 Mechanical parameters of strata

圖3 巷道擴刷前后圍巖垂直應力分布Fig.3 Vertical stress distribution of surrounding rock before and after roadway expansion

2.3 擴刷前后巷道圍巖塑性區分布

圖4為擴刷前后巷道圍巖塑性區分布特征云圖。由圖4(a)可知，直墻半圓拱巷道擴刷前拱頂和兩幫塑性區深度分別約為3.0 m和2.5 m，近似呈環狀分布；由圖4(b)可知，擴刷后巷道圍巖塑性區向四周均勻擴展，拱頂和兩幫圍巖塑性區深度均增大至3.5 m，底板塑性區深度約5.0 m，近似呈“V”型分布。與擴刷前的巷道相比，擴刷后巷道淺部表面出現大范圍寬度較大的“塑性環”，“塑性環”寬度約3.5 m，近似連續均勻分布。因此，擴刷后的巷道圍巖塑性區分布范圍較擴刷前大，塑性破壞深度增加，拱頂與兩幫均存在較大范圍的塑性剪切破壞。

圖4 巷道擴刷前后圍巖塑性區分布Fig.4 Plastic zone distribution of surrounding rockbefore and after roadway expansion

綜合上述分析，擴刷后巷道圍巖應力峰值逐漸向深部轉移，拱頂與兩幫圍巖塑性區深度約3.5 m，可見擴刷后3.5 m處近似為巷道兩幫圍巖彈塑性交界區域。鑒于拱頂與兩幫形成一定深度的連續破壞區，為防止巷道整體垮冒事故的發生，應采取巷道充壓注漿、噴射混凝土與架設U型棚等聯合支護手段。基于上述分析，本文提出錨桿索+注漿+U型鋼棚等聯合支護技術，對運輸巷圍巖進行支護與加固。

3 巷道圍巖控制原理與擴刷支護方案

3.1 巷道圍巖控制原理

原始巷道擴刷后，大斷面巷道圍巖在復雜地應力條件下發生剪切破壞，導致塑性區惡性擴展，巷道淺表面圍巖強度降低，容易引起直墻半圓拱拱頂下沉、兩幫內擠等劇烈破壞現象，圍巖整體穩定性降低。因此，要實現對擴刷后圍巖的有效控制，必須采取可靠的支護方案進行施工，減少擴刷過程對巷道圍巖的大范圍破壞，將圍巖控制在有效的變形范圍之內。

由圖3(b)對擴刷后巷道圍巖鉛直應力的數值分析可知，擴刷后巷道兩幫鉛直應力集中區距離巷道表面增大至3.4 m，頂底板存在小范圍的拉應力區；由圖4(b)擴刷后巷道圍巖的塑性區分布范圍可知，擴刷后巷道淺表面存在寬度約3.5 m的連續“塑性環”，“塑性環”范圍內圍巖處于破壞狀態，但仍有一定的承載能力，這與鉛直應力集中區分布范圍相吻合。綜合擴刷后巷道圍巖鉛直應力與塑性區分布云圖，總結出巷道兩幫淺表面3.5 m范圍內圍巖變形較嚴重，因此，巷道支護設計中，應使錨桿索能夠穿過兩幫3.5 m范圍的塑性區與鉛直應力集中區。考慮到普通錨桿長度不及3.5 m，應采用高預應力長錨索對巷道圍巖進行加強支護(本文錨桿選用Φ20 mm×2 400 mm的高強螺紋鋼錨桿，錨索選用Φ21.6 mm×6 300 mm高預應力鋼絞線錨索)，巷道兩幫圍巖鉛直應力與塑性區近似對稱分布，因此，錨桿索采用對稱布置較為合理。

為分析擴刷支護后錨桿對圍巖的控制效果，在不考慮地應力的條件下，采用庫侖-莫爾本構模擬了巷道淺部圍巖與錨桿應力分布情況，模型中巷道周圍煤巖體的力學參數與表1數值一致；錨桿長2 400 mm，直徑20 mm，屈服與抗拉強度分別為580 MPa和810 MPa，彈性模量210 GPa，黏結強度與剛度分別為500 kN/m和200 MN/m2，托板厚10 mm。圖5為拱形運輸巷擴刷支護后拱頂與兩幫錨桿預應力場分布形態。由圖5可知，拱頂與兩幫采用錨桿支護后，在巷道淺部近似形成以0.02 MPa等值線為有效最小主應力界限、深度約為1.6 m的錨桿預應力拱形結構，該范圍內圍巖處于三向壓縮狀態，壓縮拱內巖石徑向、切向均受壓，拱形結構預應力擴散效果較好，分布較為均勻，具有較強的連續性及其整體性[11]。由此，可將巷道淺部錨桿預應力作用范圍內巖體視為預應力整體拱形承載結構。同時，錨桿可產生對巷道淺部巖層沿層面與節理裂隙剪切錯動等的橫向約束作用以及巖層膨脹變形破壞產生的軸向約束作用。高預應力錨索可穿過錨桿形成的預應力整體拱形承載結構錨入深部較穩定巖層中，將淺部錨桿形成的次生承載結構與深部的主要承載結構連接起來，有效限制了由于淺部次生承載結構巖層失穩引起的拱頂與兩幫巖層大面積垮塌。

圖5 擴刷支護后巷道錨桿預應力場Fig.5 Anchor prestress field after expanding and supporting of the roadway

錨桿索支護后，對運輸巷圍巖進行注漿加固，漿液充壓注入圍巖裂隙中，使原有破碎塊體膠結成一個整體，圍巖弱面力學性能如內摩擦角、黏聚力等參數得到改善，更有效地發揮圍巖的自穩承載能力，注漿與錨桿索等共同作用可形成一圍巖閉鎖承載結構體，共同抵御巖體變形破壞[12]。

3.2 巷道圍巖擴刷施工順序

為保證運輸巷擴刷與支護安裝工程的同步進行，且對巷道其他工程的施工影響降到最低，巷道擴刷將按照以下順序進行施工：安全檢查(敲幫問頂)→搭設施工作業平臺→拆除舊U型鋼棚→敲幫問頂→人工擴刷、支護→噴漿→架U型鋼棚噴漿→水溝施工、硬化底板。

頂板擴刷施工過程中，必須將底板矸石人工攉上皮帶運出，架設安全作業平臺進行支刷作業。半圓拱形巷道擴刷順序為：首先對巷道頂板進行支刷，再由上而下依次對巷幫支刷施工，最后對底板拉底施工。支刷作業失效的錨桿、鋼筋網等必須全部剪斷處理。巷道支刷完成后保證巷道凈高3.5 m，巷寬4.0 m。

3.3 擴刷后巷道支護參數

拱形巷道拱頂與兩幫采用Φ20 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼錨桿壓鋼筋圈梁和鋼筋網支護，拱頂與兩幫錨桿間排距分別為800 mm×900 mm和900 mm×900 mm。巷道拱頂與兩幫采用Φ21.6 mm×6 300 mm鋼絞線錨索壓400 mm 14#槽鋼支護，頂錨索間排距1 500 mm×900 mm，幫錨索間排距為900 mm×900 mm，錨索垂直與拱頂與兩幫呈矩形布置，采用兩根MSK2355錨固劑和一根MSZ2335錨固劑進行錨固，錨索扭矩與預緊力分別達到200 N·m和140 kN，拱頂每排布置三根，兩幫各施工兩根幫錨索。鋼筋圈梁垂直巷道斷面進行布置，鋼筋網垂直巷道掘進方向鋪設，鋼筋網規格1 400 mm×1 000 mm，網格大小100 mm×100 mm，網與網搭接100 mm，每200 mm聯一扣。網要貼頂貼幫鋪設，鋪平拉直。聯網絲采用16#鉛絲，對折成雙股后扭結至少3圈，一扣壓一扣進行鋪設。運輸巷擴刷后拱頂與兩幫具體支護如圖6所示。

圖6 擴刷后巷道支護圖Fig.6 Roadway support after expansion

錨桿索支護后，對巷道圍巖進行充壓注漿，注漿完成后對巷道表面進行全斷面噴漿維護。采取初噴和復噴兩次噴漿完成，初噴30～50 mm，架設U型鋼棚后進行復噴作業，復噴50～70 mm。噴漿混凝土強度標號為C20，噴射厚度100 mm，混凝土配合比(體積)為水泥∶沙子∶石子=1∶2∶2，水灰比為0.4～0.5，速凝劑摻量為水泥重量的3%～5%。

3.4 礦壓觀測結果

擴刷支護后，為定量分析運輸巷圍巖變形情況，對巷道頂板與兩幫位移量進行監測。監測數據表明：擴刷施工28天后拱形巷道頂板與兩幫易破壞區圍巖均得到了有效控制，巷道頂底板最大移近量為218 mm，兩幫最大移近量為165 mm，且未出現錨桿索脫錨、拉斷等破壞現象，擴刷支護后的巷道滿足了礦井新型輸送機的鋪設要求。

4 結 論

1) 數值模擬結果顯示，擴刷后巷道兩幫圍巖鉛直應力集中區分布范圍增大，巷道拱頂與兩幫出現3.5 m范圍近似連續均勻分布的“塑性環”，超過3.5 m后，巷道圍巖逐漸趨于穩定。

2) 錨桿支護后，拱頂與兩幫形成了深度約為1.6 m的錨桿預應力拱形承載結構，拱形結構范圍內圍巖處于三向壓縮狀態，具有較強的連續整體性。錨索作用可將淺部拱形承載結構懸吊于深部穩定巖層中，增強了巖層的整體穩定性。

3) 采用錨桿索+注漿+U型鋼棚等聯合支護技術，有效控制了拱頂與兩幫易破壞區圍巖，使巷道頂底板最大移近量為218 mm，兩幫最大移近量為165 mm，擴刷后的巷道滿足了新型輸送機的鋪設要求。