大斷面巷道合理支護參數研究

李士杰

（潞安礦業集團李村煤礦建設管理處，山西 長治 046604）

隨著礦井的產量增加及礦山設備性能朝著大型化、機械自動化方向發展，開掘大斷面采區巷道已成為必然趨勢[1-2]。李村礦新開掘的大斷面二采區膠帶巷服務多個生產工作面，初期巷道變形量小，但隨著生產的不斷進行，巷道受到的采動應力疊加效應增加，出現頂板變形、巷道向內膨脹收斂，導致錨桿索失效脫落[3-4]，不利于巷道的維護。本文結合礦井開掘巷道實際情況制定合理的支護方案展開研究。

1 工程背景

潞安集團李村礦井田位于山西省沁水煤田南部，位于長子縣南小河村與南李村之間。井田東側為霍爾辛赫井田，南部為潞安礦業集團慈林山煤業公司。其開采的為3#煤層，煤層埋深在520m左右，平均厚度4.2m，傾角3～8°。煤層上方直接頂為粉砂巖，厚度4m，結構松散，強度較低。基本頂為細粒砂巖，厚度為12m，底板為砂質泥巖，厚度4m（圖1）。煤層屬不自燃煤層，煤塵具有一定爆炸危險性。

圖1 礦井柱狀圖

2 采區巷道支護方案制定

二采區膠帶巷設計長度1387m，巷道設計斷面為矩形，掘進寬度6000mm，掘進高度4200mm。煤層中開掘巷道后，形成一個自由空間失去三向受力平衡，在徑向上失去支撐，應力重新分布打破原巖應力平衡狀態。考慮到巷道頂板松軟和巷幫煤體強度低的情況，同時巷道周圍圍巖巖性差，易發生破壞、頂底板移近、兩巷道幫向內收斂的現象，根據相鄰礦井地質資料和支護情況制定出錨桿+錨索+金屬網聯合支護方案（圖2）。

（1）錨桿：采用桿體為Φ22mm×2400mm（左旋無縱筋螺紋鋼筋）。頂部錨桿間排距800×1000mm；幫部錨桿間排距900×1000mm，其中巷幫底角錨桿配合一塊W鋼護板支護，矩形布置，每根錨桿使用MSCK2335、MSZ2360各一支樹脂錨固劑。

（2）錨索：采用Φ22mm×7300mm的錨索（1×19股高強度松弛預應力鋼絞線）。巷頂錨索間排距1400×2000mm，即隔排打設4根，錨固長度1800mm。每根錨索使用MSCK2335一支、MSZ2360兩支樹脂錨固劑。

圖2 二采區膠帶巷道支護參數

3 數值模擬

通過數值模擬驗證二采區膠帶巷的支護參數合理性。FLAC3D5.01是一款有限差分軟件，依據應變增量來算出應力增量，然后計算得出不平衡力。對動態問題如大變形、失穩有較好的應用。模型采用Mohr-Coulomb本構模型，相關的巖石力學參數見表1。對綜放開采工作面進行模擬。模擬模型尺寸：長×寬×高=250m×300m×68m，巷道斷面=4.2m×6m。煤層埋深520m，容重取25kN/m3。限制模型底面和前后、左右的位移，頂部設置為自由面，施加13MPa垂直應力（圖3）。巷道開挖后，巷道斷面按照Cable單元模擬錨桿（索）支護，對比未支護和優化后支護方案情況對比。

圖3 數值模型建立

3.1 力學參數的確定

根據礦井的相關地質資料和相關實驗室內的力學試驗，確定了煤層和其他巖層的力學參數（表1）。具體計算公式如下：

式中：

E-彈性模量，GPa；

μ-泊松比；

G-剪切模量，GPa；

K-體積模量，GPa。

3.2 巷道圍巖塑性區情況

圖4 無支護和優化后支護方案塑性區對比圖

采用優化后的支護方案支護效果明顯優于無支護方案，由圖4（a）可以看出塑性區最大影響范圍達到5m，類似于“X”型破壞，而圖4（b）可以看出塑性區影響范圍縮小，說明錨桿索對頂板和兩幫起到支護作用。

4 現場監測

在滯后掘進工作面迎頭100m處，設置測點進行60d的巷道圍巖位移量的測量。通過十字測量法，對二采區膠帶巷頂底板移進量和兩幫移進量進行監測。觀察巷道圍巖變化情況。具體情況如下：頂底板移近量和兩幫移近量在第1～30d的巷道變形增長速率較快，第31～60d巷道圍巖變形量保持平穩狀態。頂底板移近的最大位移是109mm，兩幫移近的最大位移是77mm，都在圍巖允許變形的范圍內（圖5）。通過測量位移量后，得出優化后的支護方案和參數可有效控制巷道圍巖變形量。

表1 巖石力學參數

5 結 論

大斷面巷道支護方案確定后，采用FLAC3D數值軟件模擬塑性區，通過對優化后的支護方案和無支護兩種形式對比，可以看出優化后的支護方案塑性區明顯減小，說明錨桿索支護起到了較大支護作用。現場測量數據表明，圍巖變形量保持一個穩定狀態，能夠滿足二采區工作面回采需要。

圖5 巷道位移量