埋藏深度對巷道圍巖穩定性影響分析及支護優化

張志遠

(太原煤氣化(集團)有限責任公司，山西 太原 030032)

龍泉煤礦為太原煤炭氣化(集團)有限責任公司的重要煤炭生產基地，年產能力近400萬t，采用綜合機械化放頂煤工藝開采位于太原組頂部的4#煤層。4#煤層的厚度為1.70～8.2 m，平均6.47 m，煤層傾角為5°～10°，埋藏深度300～1 000 m，埋深變化較大。為了保證礦井采掘正常接替，井田南部掘進布置了3條大巷，包括兩條煤巷(南膠帶大巷、南一回風大巷)和一條巖巷(南運輸大巷)。南膠帶大巷施工斷面形狀為矩形，寬5.7 m，高3.75 m，斷面面積為21.38 m2，設計長度為2 154.6 m，沿4#煤層頂板掘進長度為1 709.8 m，傾角較大，為12°～13°；巷道埋深變化大，南部較淺處埋深為231 m，北部埋深達到583 m.

該礦面臨著同一條巷道埋藏深度變化大但因支護方式不變而導致的深部范圍支護效果不佳或淺部范圍支護成本過大等問題。為了合理評價巷道支護現狀，改善支護參數，提高綜合支護能力，以南膠帶大巷為例，對不同埋藏深度下的巷道圍巖穩定性狀況進行分析及支護優化，確保巷道安全、正常的掘進。

1 地質特征

為了解4#煤層頂板巖層的賦存及層理、裂隙發育情況，在南膠帶大巷布置2個鉆孔并采用TYGD10探測儀進行鉆孔窺視分析。頂板15 m范圍內的鉆孔圍巖性質及巖層分布統計情況見表1.

表1 頂板圍巖性質及巖層情況表

總體來說，頂板15 m窺視范圍的4#煤層頂板較破碎，裂隙發育，尤其在1～2 m、6～9 m段，圍巖破裂嚴重；此外還伴有少量夾層，在窺視過程中涌水量較大，對巷道圍巖穩定性的影響較大。

2 不同埋藏深度巷道圍巖的穩定性分析

由于工程類比巷道支護設計方法具有一定局限性，該礦南膠帶大巷原有支護方案設計所使用的煤層賦存條件、圍巖結構具體信息量和考慮埋藏深度因素不足[1]. 采用FLAC3D有限差分數值計算方法對原有支護條件下南膠帶大巷在不同埋藏深度時支護結構的穩定性進行定量分析，將計算結果中的位移、應力等作為評價指標，對不同埋藏深度范圍的支護方案進行優化[2-5].

南膠帶大巷的原支護方案：頂板及巷幫錨桿均為d22-M24-2400 mm左旋螺紋鋼錨桿，其中頂板錨桿的間排距為850 mm×1 000 mm，巷幫錨桿的間排距為900 mm×1 000 mm；頂板錨索為d21.8 mm×7 000 mm預應力鋼絞線，“二三二”五花布置，兩根的間排距為2 300 mm×2 000 mm，三根的間排距為2 200 mm×2 000 mm.

由于該礦南膠帶大巷的埋深變化較大，為了對比分析不同深度下原有支護方案對應的巷道圍巖支護效果，分別取埋深為200 m、400 m、600 m和800 m進行分析計算，為該礦不同深部巷道選取合理的支護方案提供參考。由于篇幅限制，僅列舉出埋深400 m時南膠帶大巷原支護方案數值計算后得到的巷道圍巖垂直應力、塑性區、垂直位移、水平位移分布圖(圖1)，不同埋藏深度巷道數值計算后得到的評價指標見表2(垂直應力、剪切應力、水平應力為應力云圖中巷道圍巖應力的最大值)。

圖1 埋深400 m時南膠帶大巷數值計算結果圖

由圖1可以看出，南膠帶大巷開挖后兩幫圍巖中的垂直應力比較集中，在兩幫位置形成了強烈的應力集中區域，垂直應力最大達到了17.38 MPa. 巷道圍巖中的塑性區以剪切破壞為主，且頂底板、兩幫破壞范圍都較大，巷道圍巖的整體穩定性較差。巷道頂板的最大下沉量為9.34 cm，最大底鼓量為14.13 cm，頂底板收斂值為23.47 cm，兩幫收斂量最大值為21.66 cm，巷道圍巖變形較大。

表2 巷道圍巖評價指標數值計算結果表

將數值計算得到的埋藏深度分別為200 m、400 m、600 m、800 m時南膠帶大巷的圍巖變形、圍巖應力對比結果見圖2，圖3.

圖2 埋深與巷道圍巖位移關系曲線圖

圖3 埋深與巷道圍巖應力關系曲線圖

由圖2，圖3可以看出，南膠帶大巷的埋深從200 m增加到800 m，對應的圍巖變形量、應力值均大幅度增加，巷道埋深400 m時的頂底板移近量、兩幫收斂量約為200 m時的3倍，圍巖應力達到埋深200 m時的2倍；埋深在600 m時頂底板移近量、兩幫收斂量達到埋深400 m時的3倍，圍巖應力較埋深400 m增加約50%；埋深在800 m時頂底板移近量、兩幫收斂量約為埋深600 m時的1.5倍，圍巖應力較埋深600 m時也有所增加。此外，埋深達到600 m、800 m時，巷道圍巖的塑性破壞范圍明顯大于埋深200 m、400 m. 總之，埋深對巷道圍巖穩定性影響較大，尤其對于巷道埋深處于800 m時需要及時加強支護，改善巷道圍巖穩定性。

3 不同埋藏深度巷道圍巖支護方案優化

通過對原支護方案下不同埋深對巷道圍巖穩定性影響的數值計算分析與研究，可以看出南膠帶大巷的原支護方案基本滿足埋深200 m、400 m時圍巖的穩定性控制要求；但對于埋深超過600 m時，巷道圍巖的變形、應力遠遠大于埋深為200 m、400 m，應當加強支護。

因此，針對該礦南膠帶大巷不同的埋深條件，建議采取有區別的支護方案。當埋深小于400 m時，原支護方案可以滿足圍巖控制要求，考慮支護材料經濟成本因素，可結合現場礦壓觀測結果適當降低錨桿索的密度，即增大間排距。當埋深大于400 m時，應在原有方案的基礎上將錨索、錨桿間排距適當縮小，調整錨索布置方式，即在原支護方案的基礎上，頂板錨桿的間排距由850 mm×1 000 mm調整為850 mm×850 mm，巷幫錨桿的間排距由900 mm×1 000 mm調整為850 mm×850 mm，錨索排距由2 m調整為1.7 m. 對埋深大于400 m時調整支護方案后的支護效果進行數值計算分析，得到的巷道圍巖垂直應力、塑性區、垂直位移、水平位移分布結果見圖4.

由圖4可以看出，南膠帶大巷埋深大于400 m時，調整支護方案后的垂直應力比較均勻，在兩幫位置形成的應力集中區域不明顯，垂直應力最大為14 MPa. 巷道圍巖中的塑性區仍然以剪切破壞為主，但頂底板、兩幫破壞范圍都較小，巷道圍巖的整體穩定性較好。巷道頂板下沉量最大為9.04 cm，底鼓量最大為14.01 cm，頂底板收斂值為23.05 cm；兩幫收斂量最大值為20.55 cm，支護效果優于調整前的支護方案。

圖4 埋深大于400 m時調整支護方案后的支護效果圖

4 結 論

1) 在南膠帶大巷布置鉆孔并采用TYGD10探測儀進行鉆孔窺視分析得出，該巷道的頂板圍巖破裂嚴重，且含水，對巷道圍巖穩定性的影響較大。因此，進行巷道圍巖控制過程中必須保證錨桿、錨索的錨固質量，適當加長頂板錨索錨固長度，提高巷道錨固性能及圍巖整體穩定性。

2) 通過對數值模擬計算得到的巷道圍巖表面收斂量和應力水平評價指標進行處理分析得出，埋深對巷道圍巖的穩定性影響較大，支護應當“因地制宜”，即使是同一條巷道，當埋深發生變化時，應在確保安全的前提下，根據實際情況及時調整支護方案。