大斷面靜壓煤層大巷支護優化研究

湯林虎

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046600）

近年來，煤層巷道圍巖控制問題成為影響煤礦安全生產的井工煤礦開采的重要因素之一[1]。由于開拓大巷承擔任務重、使用時間長，故大巷圍巖控制尤為重要[2]。但由于煤層強度普遍較弱，若回采工作面超前支承壓力影響范圍波及大巷，則大巷圍巖控制難度增加[3]。我國眾多煤炭科研學者針對這一問題，進行了深入研究。徐青云[4]針對陳四樓礦運輸大巷破碎圍巖控制問題，采用數值模擬與理論計算結合的方法，運用傳統“錨索網噴”聯合支護形式，以增加支護強度為主要方向，對巷道支護形式進行了重新優化，并成功進行了現場運用。史靜[5]以淮北礦區某礦南翼運輸大巷支護問題為背景，采用ABAQUS數值模擬方法，對工作面超前支承壓力影響下的巷道失穩機理進行了研究，并提出了新的支護方案，現場實測效果較好。同時，由于礦井生產工程地質條件變化較大，必須結合礦井甚至某條巷道的具體條件具體分析，提出合理安全經濟的巷道支護方案。

本文依托霍爾辛赫煤礦西回風大巷工程實際，對大巷附近回采工作面超前支承壓力影響范圍進行了分析；同時采用秦巴列維奇理論對巷道圍巖最大破壞深度進行計算，設計了巷道支護參數，在巷道掘進完成后，巷道圍巖穩定、巷道表面位移得到了有效控制。

1 工程概況

霍爾辛赫煤礦西回風大巷東側為西郭村，西側為泊里村，南側為鮑莊村和長子-長治的一級路，北側為陳家莊村,工作面上部除農作物外，還有西郭村磚廠、養殖場等小型建筑物。村莊均都在保護煤柱線內，回采對其無影響。西回風大巷西側為3305運輸順槽、南側為3303回采工作面(正在回采)、北側為西主運集中巷、東側為礦井的四條主要大巷。設計長度359.7m，西回風大巷保護煤柱30m，巷道在3#煤層中掘進，3#煤層煤質為黑色，塊狀，細條帶狀結構，中下部夾薄層泥巖，巖性為炭質泥巖，煤層厚度為5.5～5.7m平均5.6m，煤層傾角2°～10°平均6°，煤層硬度0.3～1，煤層層理為中等發育，煤層節理為中等發育，大巷掘進范圍平均埋深450m，巷道頂底板厚度與巖性見表1。由根據三維地震勘探結果可知，西回風大巷掘進范圍內地質條件與水文地質情況簡單。

表1 煤層頂底板特性表

西回風大巷巷道設計斷面為矩形，設計毛斷面為（寬）5.5×（高）5.6m，凈斷面為（寬）5.2×（高）5.2m，掘進時大巷沿底掘進，采用全斷面一次掘進方法，主要擔負西翼采區各個工作面的乏風排出任務。

2 工作面超前支承壓力影響范圍

工作面回采超前支承壓力是影響大巷穩定的主要原因，所以要對工作面超前支承壓力影響范圍進行預測，防止工作面采動對于大巷圍巖穩定性產影響。本文以正在回采的3303工作面對西回風大巷的影響為主要研究對象。依據我國華北地區長期實踐，超前支承壓力峰值見式（1）[6]，假設工作面前方煤體為各向同性的彈性體，則工作面超前支承壓力的分布公式見式（2）、（3）、（4）[7]，超前支承壓力分布見圖 1。

式中：σmax為超前支承壓力峰值，MPa；K為應力集中系數，取3；H為工作面最大埋深，450m；γ為上覆巖層平均容重，24.5kN/m3；σ為超前支承壓力值，MPa；N0為煤體自承能力，MPa；C為煤層單軸抗壓強度，7.2MPa；φ為煤層內摩擦角，實驗室測量為29°36′；ξ為煤層三軸壓力系數；f為煤層普氏系數，取0.7；x為超前支承壓力值距煤壁距離，m；m為工作面采高，5.6m；

由于煤體主要破壞為壓裂破壞，故認為只要超前應力到達了抗壓強度較低的煤體的單軸抗壓強度，則煤體完全破壞，失去承載能力。

代入數據，由式（1）可知，工作面超前支承壓力峰值為 33.075MPa，將該值代入式（2）、（3）、（4）可知，3303工作面超前支承壓力峰值位于工作面前方6.5m處。帶入工作面原巖應力值，計算公式見式（5）。

帶入式（2）、（3）、（4）可知，超前支承壓力在工作面前方25m，恢復到原巖應力值。故回采工作面超前支承壓力的影響范圍為工作面前方25m，現有大巷保護煤柱為30m，可以判定，回采工作面超前支承壓力對巷道圍巖穩定性沒有任何影響。西回風大巷為典型的靜壓巷道。

圖1 工作面超前支承壓力分布

3 破碎圍巖巷道破壞特征

由上文可知西回風大巷為靜壓巷道，則巷道在無支護強度下的最大破壞深度，為巷道的所需控制的最大塑性區寬度。結合上文可知巷道沿煤層底板掘進，毛高為5.6m，卻巷道頂部為厚度為3.55m的泥巖，綜合可知巷道圍巖較為軟弱，自承能力較差，在受到地應力作用后，極易處于散體狀態，呈現自然“拱”狀垮落，此時應當使用“秦巴列維奇”理論對巷道在無支護條件下的最大破壞深度進行計算[8]，見圖2。

圖2 秦巴列維奇理論力學模型圖

由圖2可知，井下巷道受到三個方向上的載荷，分別為巷道頂板、巷道兩幫。在巷道頂板方向，巷道受到鉛直載荷，由于頂板強度較弱，依據“秦巴列維奇”理論可知，頂板呈現“拱”狀破壞；在巷道兩幫方向，巷道受到垂直于巷幫，方向向巷道內部的載荷，巷道兩幫呈現三角形破壞，且隨著兩幫高度的增高，破壞深度逐漸增大。兩幫最大破壞深度b與巷道頂板最大破壞深度h計算見下式。

巷道兩幫最大破壞深度b可根據式（1）、（2）計算[8]。

式中：H為巷道掘進高度，取5.6m；θ為煤自然塌陷角，°；φ為煤內摩擦角，取28°；

巷道頂板最大冒落高度h可根據式（3）計算[8]。

式中：a為巷道掘進寬度，取5.5m；RC為頂板泥巖單軸抗壓強度，取12.2MPa；

帶入公式可得，巷道兩幫最大破壞深度b為3.36m，巷道頂板最大冒落高度h為5.01m。

4 巷道優化支護形式及效果

4.1 巷道支護參數設計

考慮上述理論計算中的兩幫深度為3.36m以及頂板破壞深度為5.01m，單純采用普通的“頂板錨桿+頂板錨索+兩幫錨桿”聯合支護措施，已經不能滿足巷道支護強度要求，故考慮“頂板錨桿+頂板錨索+兩幫錨桿+兩幫錨索”的全斷面強化支護形式。設計支護參數見表2。巷道支護斷面圖見圖3。

表2 巷道優化支護參數

圖3 巷道支護斷面圖

4.2 巷道支護效果監測

巷道掘進完成后，為有效對巷道支護體的支護作用進行直觀檢測，同時對圍巖內部裂隙發育情況進行分析，對西回風大巷進行了井下原位專控窺視，見圖4；對巷道表面位移進行了連續監測見圖5。

圖4 巷道表面0～2m鉆孔窺視結果

圖5 巷道表面位移隨時間變化圖

結合圖4，巷道表面0～2m鉆孔窺視結果圖可知在西回風大巷表面0～2m范圍之內，強度較弱的泥巖頂板內部巖層完整、無明顯裂隙擴展以及無巖層錯動，可見“頂板錨桿+頂板錨索+兩幫錨桿+兩幫錨索”的全斷面強化支護形式為巷道提供了較大的支護強度，保證了西回風大巷圍巖的穩定性。

結合圖5，巷道表面位移隨時間變化圖可知，西回風大巷表面位移在巷道掘進完成22天時，巷道頂底板移近量與巷道兩幫移近量到達最大值，分別為35.7mm、79.2mm。巷道表面位移量較小，處于安全范圍之內。在巷道掘進22天后，巷道表面位移變化趨于平緩，可見此時巷道圍巖與巷道支護體共同形成了巷道的穩定支護體，說明“頂板錨桿+頂板錨索+兩幫錨桿+兩幫錨索”的全斷面強化支護形式對西回風大巷巷道圍巖穩定起到了有效的保護效果。

5 結 語

1）回采工作面超前支承壓力擾動范圍為25m小于大巷保護煤柱30m，可知霍爾辛赫煤礦西回風大巷不受工作面采動影響，為典型靜壓巷道。

2）同時采用秦巴列維奇理論，結合西回風大巷圍巖地質條件對巷道圍巖最大破壞深度進行計算，確定兩幫最大片幫深度為3.36m，頂板最大冒落高度為5.01m。

3）提出了“頂板錨桿+頂板錨索+兩幫錨桿+兩幫錨索”的全斷面強化支護形式，設計了巷道支護參數，現場實測表明，巷道表面0～2m圍巖穩定，西回風大巷表面位移在掘進完成后的22天達到最大值，頂底板最大移近量為35.7mm；兩幫移近量最大為79.2mm。可見該支護形式保證了西回風大巷圍巖的穩定性。