基于圍巖穩定性分析的巷道支護工程實踐

張曉東

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

0 引 言

井工開采是我國煤炭資源的主要采出方式，井下開采時的巷道布置是一切采掘活動的基礎，據統計，我國年均掘進、維護井下巷道長度近10000km，且隨著采深的增加，巷道支護難度愈發增大。巷道穩定暢通是煤礦井下開采的重要前提，而巷道支護的本質在于控制圍巖穩定性，在實際的生產實踐中，巷道支護設計大多采用工程類比法或經驗法來完成，隨著巷道圍巖復雜程度的增加，工程類比法及經驗法已不能滿足錯綜復雜的圍巖控制要求。

本文以山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦為工程背景，在圍巖穩定性分類的基礎上，對23114工作面運輸巷圍巖地質條件及生產現狀進行分析，得到穩定性的主要控制因素，參照分類結果完成支護參數的設計及支護效果考察。

1 工程地質概況

山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦為1500萬t/a的現代化礦井，井田范圍內含有全區或局部可采煤層7層，從上到下依次為山西組的4#、5#、6#、8# 煤層和太原組的 10#、12#、13# 煤層。

目前主要開采煤層為8#煤和13#煤層：8#煤層厚度為3.95～8.04m，平均厚度6.25m，煤層傾角6.5°～11.0°，平均9.0°，屬于厚煤層，巷道以煤巷為主，煤巖巷為輔；13#煤層厚度14.90～15.34m，平均厚度15.19m，屬于特厚煤層，巷道多布置在煤層中。13#煤層厚度介于5.95～16.68m，平均厚度13.88m，屬于特厚煤層，采用綜采放頂煤工藝，順槽沿底掘送，為大斷面托厚頂煤全煤巷道，支護難度較大。根據現場采掘接替實際，在完成圍巖穩定性分類分析后，以21采區23114軌道巷為試驗巷道完成支護參數設計及支護效果考察，為后期巷道支護提供參數依據。

2 圍巖穩定性分類

巷道圍巖穩定性的影響因素多且復雜，很難用明確的數值或界限來描述這種現象，由此可知，其失穩是一種模糊現象。聚類分析是多元分析方法的一種，也是近年來發展較快的一種數學方法，采用模糊聚類的方法可有效的對原本模糊的巷道圍巖穩定性進行聚類分析，形成明確的以參數為基礎的科學分類。

2.1 巷道穩定性影響因素

2.1.1 圍巖強度

1）巖體強度。巷道開挖后，圍巖應力重新分布，局部的應力集中會導致圍巖的塑性變形，巖體強度在抵抗塑性變形中起決定性因素。

2）圍巖完整性。圍巖完整性直接決定圍巖強度，按結構分為整體、塊狀、層狀、碎裂、松散五種結構狀態，從前往后圍巖穩定性依次降低。

3）工程地質條件。井下地質條件復雜，水體、褶皺、斷層等的存在使巷道圍巖受擠壓而形成破碎帶，大大降低了圍巖穩定性。

2.1.2 圍巖應力

1）原巖應力。巷道上覆巖層的重量形成的自重應力場及巷道周圍地質構造引起的構造應力場是巷道的兩個主要作用力，巷道埋深越大自重應力越大，構造應力復雜程度越高，兩者綜合影響著圍巖水平應力，數值越大，支護難度越高。

2）構造應力。褶曲、斷層等形成了拉應力或剪應力集中，巷道開挖形成了局部應力釋放，表現為圍巖水平應力集中，可以造成冒頂、底鼓、兩幫移近量明顯等狀況。

3）工程應力。巷道開挖及工作面回采動壓使得巷道圍巖形成了應力升高區和降低區，當巷道進入動壓影響區域時，巷道維護難度增大。

2.2 模糊綜合評判

綜合以上分析，巷道圍巖穩定性受煤巖體地質力學參數、應力分布、工程活動等多因素同時影響，結合斜溝礦生產實際，選取采深H、直接頂厚度與采高的比值N（采動影響系數）、直接頂初次垮落步距L、頂板強度σt、底板圍巖強度σb、巷幫圍巖強度σc等5個指標作為主要評判因素。

通過模糊化綜合評判，得出圍巖穩定性分類指標參考值見表1。

表1 區段巷道圍巖穩定性分類指標聚類參考值

Ⅰ～Ⅴ類分別代表穩定、較穩定、中等穩定、較不穩定、極不穩定，針對以上四種分類，給出基礎支護參數，見表2。

表2 不同圍巖穩定性分類情況下基礎支護參數

3 現場應用

13#煤平均厚度13.88m，屬特厚煤層，23114軌道巷沿底掘送，為大斷面托厚頂煤全煤巷道，支護難度較大。根據頂底板地質力學性質，判定為Ⅴ極不穩定巷道，支護參數以表2為基礎進行優化設定。根據生產實際，采用錨網索加鋼帶聯合支護，具體支護參數見表3，具體支護方案見圖1。

圖123114 軌道巷支護方案設計圖

表3 23114軌道巷支護參數設計

注：工作面幫采用玻璃纖維錨桿，保護煤柱幫采用高強度鋼錨桿，兩者尾部均采用規格為600mm×180mm×70mm的木托板。

4 支護效果考察

支護效果考察采用十字布點法進行，通過巷道表面位移、深部基點位移觀測完成效果考察。

1）巷道表面位移觀測。在滯后掘進工作面10m的位置設置巷道表面位移觀測點，通過觀測，23114軌道巷兩幫頂底移近量與兩幫移近量變化數據如圖2所示。

圖2 23114軌道巷變形與掘進時間關系圖

兩幫累計移近量在90mm以內，頂底板移近量達到70mm。

2）深部基點位移觀測。在距工作面50m位置布置測站，兩幫分別為H1測點、H2測點，回采期間進行觀測，結果如圖3所示。當距離掘進工作面約90m時，各基點位移慢慢趨于平穩，100m時深基點位移基本穩定。各基點總體位移量在200～300mm以內，多數基點位移曲線類似，可見圍巖在支護作用下表現出整體性，支護實踐效果良好。

圖323114 軌道巷深基點位移曲線圖

5 結 語

1）巷道圍巖穩定性分類其實是一種模糊歸類方法，在眾多不確定的影響因素中選取重點因素，通過聚類的方式形成判定參數，從而完成對不同穩定性的巷道的分類支護。

2）巷道圍巖穩定性受煤巖體地質力學參數、應力分布、工程活動等多因素同時影響，從實踐結果來看，選取采深H、直接頂厚度與采高的比值N（采動影響系數）、直接頂初次垮落步距L、頂板強度σt、底板圍巖強度σb、巷幫圍巖強度σc等5個指標作為主要評判因素是合理的。

3）兩幫累計移近量在90mm以內，頂底板移近量最大70mm，深基點位移在200～300mm以內，對于特厚煤層全煤巷道支護來說，實踐取得了良好效果，基于圍巖穩定性分類的巷道支護設計可行。