大斷面復合頂板硐室圍巖穩定性規律及支護對策

謝永存，鄒 虎

（潞安礦業（集團）有限責任公司 李村煤礦，山西 長治046000）

近年來，我國煤礦采掘設備機械化水平不斷提高，整裝設備趨于大型化、自動化和智能化，促使煤礦采掘工作面單產能力急劇提升[1-2]。為適應大型采掘設備的運輸、安裝和正常運行，以采煤工作面回采平巷為代表的巷道或硐室斷面也迅速增大[1,3]。同時，煤層賦存條件也出現顯著差異，尤其是中深部開采條件下，存在多層軟弱夾層的復合頂板巷道比重逐漸加大。與常規尺寸巷道比較，大斷面復合頂板巷道或硐室具有跨度大、采掘擾動范圍廣、頂板離層及彎曲下沉嚴重等穩定性特點，其圍巖控制效果普遍較差[4-7]。為此，諸多專家學者圍繞大斷面復合頂板巷道或硐室的支護理論與技術，剖析復合頂板大斷面巷道失穩破壞特征，研究軟弱夾層分布位置和厚度等因素對巷道圍巖變形的影響，提出以高強度錨網索聯合支護技術、支護構件協同支護技術等新型支護方式，以及相應的施工工藝方法[1,5,8-15]。回顧有關大斷面復合頂板巷道或硐室的研究成果可知，多是圍繞軟弱夾層分布特征對巷道圍巖變形的影響展開研究，基本形成了以高強度錨網索為核心的支護技術，然而對大斷面復合頂板巷道形成后，在其巷幫二次開挖大斷面硐室后的圍巖穩定性研究較少。因此，針對潞安集團李村煤礦2302工作面回風平巷大斷面鉆場的圍巖條件，研究大斷面復合頂板巷道掘進過程中的圍巖應力和變形規律，分析巷道幫部開挖鉆場后形成的大斷面復合頂板空間圍巖的穩定性演化特征，揭示二次擾動后大斷面復合頂板硐室圍巖穩定性劣化規律。

1 大斷面復合頂板硐室基本條件

1.1 2302工作面回風平巷基本條件

潞安集團李村煤礦絕對瓦斯涌出量為264.84 m3/min，為高瓦斯礦井，其主采3#煤層。2302工作面回風平巷平面布置如圖1，2302工作面回風巷是本工作面回采、通風、行人和運輸主要通道。該巷道沿3#煤層頂板掘進，開口位于二采區1#聯絡巷77.7 m位置，北鄰二采區1#聯絡巷，西鄰2302工作面進風巷，東鄰2303工作面回風巷，其周邊均為未采區。采用EBZ230型綜掘機掘進作業。2302工作面回風巷設計斷面為矩形，掘進斷面為25.2 m3，掘進寬度為6 000 mm，掘進高度4 200 mm。3#煤層以亮煤為主，呈塊狀，其厚度為4.2～5.8 m，平均4.5 m，煤層直接頂為泥巖和粉砂巖互層，基本頂為粉砂巖和細砂巖為主，直接底為泥巖和砂質泥巖，基本底為細砂巖。

圖1 2302工作面回風平巷平面布置圖

1.2 2302工作面回風平巷鉆場基本條件

根據李村煤礦瓦斯涌出量測定結果可知，該礦為高瓦斯礦井，工作面回采之前必須配套鉆場及瓦斯抽放系統。2302工作面鉆場布置如圖2，2302工作面回風平巷瓦斯抽放孔設置于專用鉆場內。相鄰鉆場距離為60 m，單個鉆場斷面為不規則梯形，即鉆場開口位置斷面寬度為8.5 m、高度為4.2 m（與2302工作面回風平巷高度一致），內部邊界寬度為3.3 m、高度為4.2 m，鉆場深度為4.5 m。其施工方式為滯后巷道掘進工作面施工，即滯后2302工作面回風平巷掘進工作面2～5 m范圍內分層開掘成形。

圖2 2302工作面鉆場布置圖

由2302工作面回風平巷和鉆場空間位置關系和施工工藝可知，鉆場施工開始時，其圍巖仍處于2302工作面回風平巷掘進影響期內，不僅開掘鉆場的二次擾動會嚴重影響巷道圍巖穩定性特征，同時，巷道圍巖應力重分布過程也會對鉆場圍巖穩定過程產生顯著影響。此外，在鉆場掘進形成后，鉆場與巷道連接，形成跨度達到10 m以上的大斷面空間,大斷面空間尺寸如圖3，在上覆復合頂板條件下，大斷面空間的穩定性易于劣化，成為典型的大斷面復合頂板硐室，亟需對其穩定性特征進行深入分析。

圖3 大斷面空間尺寸圖

2 大斷面復合頂板硐室圍巖穩定性特征

為了準確反映2302工作面回風平巷穩定性特征，以及鉆場開挖對回風平巷的穩定性影響規律，建立長寬高均為50 m的三維數值分析模型（圖4），其中，模型左右、前后4個邊界設置為固定速度邊界條件，底部邊界為固定位移邊界條件，頂部為應力邊界條件，即施加12.5 MPa的均布載荷模擬上覆500 m巖層自重。

2.1 回風巷掘進過程中巷道圍巖穩定性特征

圖4 硐室模型圖

2302工作面回風平巷掘進后，其圍巖內最大主應力分布規律如圖5。巷道圍巖應力擾動范圍達到8 m以上，其中頂板圍巖應力降低范圍達到13 m左右，而兩幫應力降低范圍為8 m左右，并在距離巷幫圍巖表面10 m位置產生應力集中，應力集中系數為1.1。此外，隨著巷道圍巖穩定時間逐漸增加，巷道圍巖應力降低范圍不斷增大，但其變化速率逐漸減小。在圍巖應力重分布過程中，巷道圍巖變形逐漸趨于穩定，回風平巷圍巖變形規律如圖6。其中，由于頂板為泥巖、砂質泥巖和粉砂巖互層的復合頂板，其頂板中間位置彎曲下沉量達到140 mm以上，并在不同巖層接觸區域產生離層現象，離層量達到10～20 mm。同時，在兩幫煤體中產生顯著變形，幫中為強烈變形位置，變形量達到270 mm，并隨著與巷道表面距離的增加，圍巖變形量逐漸減小，最終在距離巷道表面3.7 m位置，圍巖變形量減小至50 mm左右。巷道底板圍巖與頂幫圍巖變形相比普遍較小。

圖5 回風平巷圍巖最大主應力分布規律

2.2 鉆場開挖過程中硐室穩定性特征

圖6 回風平巷圍巖變形規律

待2302工作面回風平巷掘進影響穩定后開挖鉆場，其形成的大斷面硐室圍巖最大主應力分布規律如圖7。其中，巷道圍巖受到鉆場開挖二次擾動影響后，其頂板圍巖應力擾動范圍達到16 m，并且由于頂板跨度由6 m增加至10.5 m，因此距離頂板圍巖表面5.5 m范圍內的巖體應力減小至1.5 MPa以下。同時，靠近鉆場一側的幫部圍巖內的集中應力距離巷道表面距離減小為3.6 m，而未開挖一側的幫部內的集中應力出現在8.5 m位置，兩幫應力集中系數均減小為1.07。與回風巷掘進過程中的幫部集中應力分布規律相比，硐室斷面增加后其幫部集中應力與硐室圍巖表面距離顯著減小，致使大斷面硐室的淺部圍巖承受較大集中應力，造成淺部圍巖變形量顯著增加，鉆場開挖后圍巖變形規律如圖8。開挖鉆場一側的幫部圍巖表面變形量為180 mm左右，在距離巷道表面2 m位置，圍巖變形量減小至80 mm；另一側幫部圍巖表面變形量小幅增加，變形量為273 mm。在鉆場開挖及穩定過程中，頂部圍巖最大下沉量仍然出現在中間位置，最大變形量為200 mm，不同巖層接觸面離層量增加至30 mm。由此可知，鉆場開挖產生的二次擾動會加速劣化巷道圍巖穩定性，促使回風巷圍巖產生強烈變形，尤其是硐室跨度增加至10.5 m后，頂部圍巖的彎曲下沉和內部離層嚴重，同時，巷道圍巖應力重分布過程也會對鉆場圍巖穩定過程產生顯著影響。

圖7 鉆場開挖后圍巖最大主應力分布規律

圖8 鉆場開挖后圍巖變形規律

3 大斷面復合頂板硐室支護對策

3.1 2302工作面回風平巷支護參數

2302工作面回風平巷支護斷面圖如圖9。

圖9 2302工作面回風平巷支護斷面圖

1）錨桿。采用桿體φ22 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，型號為超高強熱處理錨桿BHRB500，長度 2 400 mm。錨固長度1 200 mm，頂部錨桿間排距800 mm×1 000 mm，幫部錨桿間排距900 mm×1 000 mm，底錨桿配合1塊W鋼護板支護，每孔采用MSCK2335和MSK2360樹脂錨固劑各1支。錨固力不小于190 kN，預緊力矩不小于40 N·m。

2）錨桿托板。拱形高強度托板配合球形墊和減阻尼龍墊圈，規格150 mm×150 mm×10 mm。

3）網片。采用鋼筋經緯網，網孔40 mm×40 mm，網與網之間采用16#鉛絲綁扎，雙絲雙扣。

4）錨索。采用φ22 mm，1×19股高強度松弛預應力鋼絞線。頂板錨索間排距1 400/1 600×2 000 mm，錨索長度7 300 mm，呈“四三”布置。每根錨索使用1支MSCK2335和2支MSK2360樹脂錨固劑，初次張拉力為300 kN。

5）錨索托板。采用300 mm×300 mm×16 mm高強度可調心托板及配套鎖具，承載能力大于550 kN。

6）鋼筋托梁。斷面φ14 mm雙鋼筋焊接，頂托梁全長5 850 mm，寬度110 mm，間距800 mm；幫托梁全長2 950 mm，寬度110 mm，間距900 mm。底角錨桿為W鋼護板，規格為280 mm×450 mm×4 mm。

3.2 鉆場支護參數

2302工作面回風平巷鉆場支護斷面圖如圖10。

圖10 2302工作面回風平巷鉆場支護斷面圖

1）加強支護。在開口位置頂板，外鎖口錨索布置9根，與回風平巷錨桿采區插花布置，錨索間距為2 000 mm，內鎖口錨索布置5根，間距為1 700 mm，內外鎖口錨索均采用φ14雙鋼筋梯子梁連接。2排錨索排距為1 150 mm。采用1支CK2335和2支Z2360型樹脂錨固劑錨固。

2）頂板支護。錨桿間排距為850 mm×800 mm，兩肩角錨桿距幫均為250 mm，錨桿與垂線呈20°外斜布置，其余錨桿垂直頂板布置。鉆場第1排錨桿距離外鎖口加強支護錨索排距為750 mm。采用1支CK2335和1支Z2360型樹脂錨固劑錨固。除加強支護錨索外，另布置5根錨索，間排距為1 600 mm×1 600 mm，第1排頂板錨索與鎖口內加強支護錨索排距為1 600 mm，距離兩幫各1 530 mm，布置3根，再往里排距1 600 mm。金屬網規格為6 000 mm×1 000 mm。采用型號為φ14-5-110-2 900/5 850 mm的雙筋梯子梁加強支護。

3.3 巷道及硐室圍巖控制效果

巷道圍巖表面位移是反映巷道圍巖穩定狀況的綜合指標。為此，在2302工作面回風平巷內滯后掘進工作面50 m和新掘鉆場內分別設置1組圍巖表面位移觀測站，采用十字布點法進行位移量觀測。

經過60 d的跟蹤觀測，2302工作面回風平巷頂板下沉量為120 mm左右，兩幫圍巖收斂變形量為110 mm；初始觀測時，頂幫圍巖表面變形速度均為1.5 mm/d；待 40 d 后，圍巖變形量趨于穩定，均在0.5 mm/d以下。鉆場頂板下沉量為108 mm，兩幫圍巖收斂量在104 mm以下，待40 d后，圍巖變形量趨于穩定，均在0.3 mm/d以下。上述觀測結果表明，“錨桿+雙層鋼筋梯子梁+錨索+鋼筋網”的聯合支護方案有效控制大斷面復合頂板硐室的圍巖變形。

4 結論

1）2302工作面回風平巷掘進形成后，兩幫和頂板變形量達到200 mm以上；頂板應力擾動范圍達到13 m以上。

2）鉆場開挖造成巷道圍巖二次擾動，與回風平巷穩定性相互加速劣化，其頂板下沉量增加至300 mm，頂板應力擾動范圍增加至16 m以上。

3）巷道及鉆場采用“高強錨桿+雙層鋼筋梯子梁+錨索+鋼筋網”的聯合支護方案后，其圍巖變形量均在120 mm以下，圍巖變形速度均在0.5 mm/d，有效控制了大斷面復合頂板硐室的圍巖變形。