斜溝煤礦軟巖巷道支護技術試驗研究*

鐘 誠，吳 瓊

(1.山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

我國煤炭產量大，每年巷道掘進進尺多達6 000 km以上，深部高應力軟巖巷道占據10%以上[1]。由于多年來的開采，淺部易開采的煤炭資源日益減少，導致不得不轉向開采深部煤炭資源[2]。由于深部軟巖煤礦具有巷道失修率高、支護極其困難等難題[3]，假如未能實施有效的支護工藝以減小巷道的變形，將導致軟巖巷道的修護成本增加，甚至會引發事故，造成人員傷亡和財產損失，破壞社會的穩定和安全生產的良好局面。因此研究經濟合理的支護工藝成為深部高應力軟巖巷道亟需解決的難題[4]。

我國科研工作者對松軟巖巷道支護技術開展了大量的研究工作，王國強等[5]在小康煤礦S2S2工作面通過采取高強錨(索)噴網配合U型鋼可縮支架技術，巷道變形減小，未發生冒頂、片幫隱患事故，充分發揮了圍巖承載能力，取得良好的支護效果。丁向勇等[6]通過對蔣家河煤礦ZF1410工作面支護方式進行優化，現場實測結果證明：優化的支護方案使巷道變形速度減慢，巷道變形得到有效控制。尹光志等[7]通過研究白皎煤礦井下高應力軟巖巷道采用3種不同的支護工藝，現場結果證明：適合高應力軟巖巷道最佳的支護方式是預留剛隙柔層支護方法，即錨梁網+拱形支架聯合支護方式。柏建彪等[8]在古漢山煤礦西大巷開展試驗研究，采用高水速凝材料注漿加固遇水弱化、膨脹的泥巖，確定最佳二次支護時間的工藝，顯著減小深部軟巖巷道的大變形。

本文根據斜溝煤礦18209皮帶巷的具體條件，采用“高強錨(索)噴網配合U型鋼可縮支架及壁后充填”的支護技術[9]，解決了18209皮帶巷巷道變形速度快且破壞嚴重，頂板變形嚴重且有大量墜袋產生，巷道底臌凸起明顯，變形破壞大，屈服破斷了支護構件[10]等問題，同時借助ANSYS數值模擬軟件對比分析原支護方案和優化后方案的支護效果，并開展現場試驗實測18209皮帶巷支護效果，給高應力軟巖巷道支護提供一定的科學依據[11-13]。

1 工作面概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣，屬河東煤田離柳礦區，主采煤層為8#、13#煤，面積88.6 km2。礦井為低瓦斯礦井，采用斜井開拓方式，8#煤層厚度為3.80～5.50 m，平均厚度4.70 m，傾角為7.5°～11.7°，平均9.4°。8#煤透氣性系數為0.009 26～0.014 16 m2/(MPa2·d)，為低透性煤層。

8#煤埋藏深度+480～+560 m，頂板巖性是泥質巖，很難進行維護和管理，完整性系數是0.2，巖塊飽和單軸抗壓強度是3.7 MPa；底板是粉砂巖，具有易風化、遇水泥化膨脹特點，層理發育，巖塊飽和單軸抗壓強度為4.3 MPa；井田范圍內最小和最大的主應力是近水平方向，中間區域主應力是近垂直方向，為水平應力場環境，水平構造應力對巷道的穩定性影響較大。18209皮帶巷水平標高+405～+498 m，掘進斷面是18.2 m2，巷道的支護方式是錨噴網配合U型鋼可縮支架支護。

2 優化支護方案

2.1 深部軟巖巷道變形特點

巷道變形特征：根據現場實測數據及圖片等資料，斜溝煤礦18209皮帶巷變形破壞特征有以下幾個特點，①巷道變形程度明顯且變形破壞速度快；②頂板流變程度嚴重、巷道底臌明顯；③錨桿、U型鋼支架等支護設施產生屈服破斷現象。

巷道變形原因：根據以上特點，得出1820皮帶巷發生變形原因包括，①18209皮帶巷地質條件比較復雜，巷道圍巖周圍充滿泥質巖體，遇水后立即膨脹，同時擁有極強的流變性質；②巷道圍巖變形程度嚴重，破壞深度大，錨桿、U型鋼支架等支護設施未起到作用，嚴重失效，圍巖的承載能力未得到顯著發揮；③每個支護元件沒有構成一個完整體，不能發揮錨桿等設施的整體支護能力。

2.2 支護原理

深部高應力軟巖巷道在掘進過程中，將會向作業空間釋放大量的膨脹變形，而這時巷道是塑性狀態，仍然擁有承載能力。

如果開挖深部高應力軟巖巷道后，強迫巷道圍巖向各個作業空間運動的各個力的合力為PT，查閱相關資料得到支護原理可用下式表示

pT=pD+pR+pS

(1)

式中：PT—開挖巷道過程中圍巖向作業空間運動的合力；PD—軟巖巷道的塑性能通過變形的途徑涌出；PR—圍巖自撐力；PS—工程支護力。

根據公式(1)發現，巷道開挖后工程支護力PS未全部構成導致圍巖向自由空間運動的合力PT，而是由PD、PR、PS共同構成。以軟巖巷道為例，其本身的圍巖自撐力PR較小，一般為pR

2.3 方案優化

原支護方案：18209皮帶巷起初的支護方案是U型鋼可縮支架搭配錨噴網，選用型號為36U型鋼可縮性拱形支架，在拱形支架梁的中部安裝強力拉板一套，相鄰U型鋼可縮支架的棚距是800 mm，將U型鋼可縮支架的整體支護能力全部發揮出來；預應力錨桿的錨固長度是1.1 m，型號是φ22 mm×2 400 mm，預緊力是150 kN，抗拉強度是780 MPa；采用自制10#金屬經緯網，規格是1 m×10 m，間距是40 mm×40 mm；選用不含速凝劑沙漿的混凝土來噴層，其噴層厚度是490 mm。

優化方案：采用“高強錨(索)噴網配合U型鋼可縮支架及壁后充填”的支護技術作為優化設計支護方案，是圍巖加固技術、釋能技術和高阻力支護技術的有機結合，擁有可縮性U型鋼支架、錨桿(索)注漿加固圍巖、煤壁后方添加柔性填充層三位一體的綜合支護工藝。優化方案是在原支護方案上，采用高強度、高預應力的錨桿，其抗拉強度超過780 MPa，同時將錨固長度增加到1.4 m；添加φ21.8 mm×7 300 mm的錨索支護，其抗拉強度超過570 MPa，錨固長度達到2.0 m，巷道頂板錨索規格是1.6 m×1.6 m，7.30 m的長錨索共計5根，斷面如圖1所示。

圖1 優化方案斷面

3 數值模擬

3.1 模型建立

依據18209皮帶巷現場實際情況，建立240 m×120 m×80 m的模型，將其劃分53 636個單元。設置上部為自由邊界、下方為固定邊界，周圍為水平位移約束，模型如圖2所示。在模型上部覆巖施加12.11 MPa的載荷，參數選擇見表1。

圖2 數值模型

參數名稱厚度/m泊松比容重/(kN·m-3)彈性模量/GPa粘聚力/MPa摩擦角/(°)剪脹角/(°)抗拉強度/MPa頂板420.122 6006.52.2526.2100.53煤層120.1213.006.22.3226.80.62底板320.3521.008.41.4830.2101.41

注：砂漿泊松比為0.2，彈性模量是25 GPa；U型支架、錨桿泊松比為0.2，彈性模量為210 GPa。

3.2 數值模擬過程

在開挖巷道過程中，在y方向上0～60 m仍然采用原支護設計方案，在y方向上60～120 m采用優化后的方案；工作面回采過程中，推進位置設在工作面自距右邊界20 m處，一次向前開挖30 m，持續到距巷道10 m時模擬停止。

計算過程是先巷道開挖，延遲一段時間后，在巷道的相應區域內采用設置好的兩種支護方案對深部高應力巷道開始支護，數值模擬計算到應力平衡狀態；接著對工作面進行分段開挖，位置設于煤層預先選好點，每次開挖30 m一共開挖6次，直到最終位置，數值模擬過程如圖3所示。在數值模擬時，監測

監控這兩種巷道支護方案下煤層頂底板的位移量，結果如圖4所示。

a-推進30 m；b-推進60 m;c-推進90 m;d-推進120 m;e-推進150 m;f-推進180 m圖4 優化方案巷道頂底板位移云圖

3.3 結果分析

通過ANSYS數值模擬計算，確定采用兩種支護方案后18209皮帶巷頂底板移近量，具體如圖5所示。

圖5 18209皮帶巷頂底板移近量

由圖5模擬計算結果可知，兩種支護方案的18209皮帶巷頂底板移近量均開始變大，但增大程度明顯不同，采用優化的支護方案后18209皮帶巷的頂底板移近量增大程度明顯低于原支護方案；當工作面推進30 m時，原支護方案頂底板移近量為200 mm，而優化方案頂底板移近量是60 mm；當推進180 m時，優化方案頂底板移近量是112 mm，而原支護方案頂底板移近量為712 mm，結果表明：對比優化方案與原支護方案，得到實施優化方案可以減少巷道頂底板移近量，其增長率減小26%，優化方案可以明顯控制住18209皮帶巷圍巖的變形，取得了良好的支護效果。

4 現場試驗

通過現場實測收集數據得到18209皮帶巷頂底板移近及兩幫收斂情況，如圖6所示。

圖6 巷道表面位移變化曲線

從圖6得到在工作面推進過程中，采用原支護設計方案后18209皮帶巷最大頂底板移近量是1.047 m，皮帶巷最大兩幫收斂量是0.318 m；采用優化支護設計方案后18209皮帶巷最大頂底板移近量是0.588 m，皮帶巷最大兩幫收斂量是0.211 m；在采動影響下，優化后的18209皮帶巷支護設計方案，皮帶巷變形速度顯著小于原方案支護，現場實測結果基本和數值模擬結果吻合。所以選擇合理的優化支護設計參數將對圍巖的控制起到良好的效果。

5 結論

(1)現場實測發現18209皮帶巷破壞的主要特征是巷道變形速度快且破壞嚴重，頂板變形嚴重且有大量墜袋產生，巷道底臌凸起明顯，變形破壞大，屈服破斷了支護構件；巷道產生失去穩定性的主要原因是圍巖中充滿擁有較強流變特點的泥質巖體，導致遇到水后開始膨脹變形。

(2)“高強錨(索)噴網配合U型鋼可縮支架”支護工藝能有效發揮每一個支護原件的功能，增強了巷道圍巖的性質和結構，最大程度地發揮深部軟巖的自承載能力，為解決深部區域軟巖巷道應力高、圍巖破碎、巷道變形大及支護困難等問題提供一種有效方法。

(3)通過實際觀測和數值模擬結果，證明斜溝煤礦18209皮帶巷采取優化支護措施后，巷道變形程度明顯減小，工作面生產過程中巷道兩幫的最大移近量是211 mm，煤層頂板最大下沉量是588 mm，未發生冒頂、片幫事故，發揮了巷道圍巖承載能力，支護效果好。