松軟巖層條件下煤巷支護設計與礦壓觀測

邢志慧

（大同煤礦集團挖金灣虎龍溝煤業有限公司，山西 大同 037003）

由于地質條件復雜以及構造應力的存在，位于傾斜巖層中的巷道變形破壞和圍巖應力分布表現出非對稱性，處于軟巖中的巷道圍巖松動圈范圍較大，傳統的對稱性支護設計難以達到有效的控制效果。

本文通過地應力測量、松動圈測試及鉆孔窺視技術，獲得了同煤集團挖金灣虎龍溝煤礦5#煤層最大主應力、松動圈厚度及圍巖裂隙發育情況，確定了巷道變形破壞的原因。在此基礎上，根據強幫強角支護理論，利用FLAC3D軟件對比分析了原支護方案和多種優化后的支護方案，有效解決了81511工作面現場支護問題。

1 原巖應力測量

原位測量是目前獲取不同深度原巖應力的唯一方法。本次研究采用鉆孔應力解除法使用CSIRO II型應力傳感器進行測量，其中一測點位于81514 材料巷100 m 左右處位置，另一測點布置在西翼回風巷靠近81514 材料巷45 m 左右處位置，共計5 個鉆孔，鉆孔總深度7.6 m。

通過對測量數據分析，挖金灣虎龍溝煤礦原巖應力的特點如下：（1）應力場的第一主應力為水平應力，水平應力大于垂直應力，最大水平主應力為垂直應力的1.13～2.50 倍。（2）水平應力的方向為85°～101°；水平應力對南北向巷道影響較為明顯，對東西向巷道影響則相對較小。

為了解5#煤層圍巖松動圈范圍，開展了鉆孔窺視和超聲波探測，其松動圈范圍為1.4～2.2 m，屬中大松動圈。

2 巷道變形特征及破壞機制

通過對5#煤層181514 工作面材料巷的現場調查，發現巷道變形和破壞有以下特點：開挖初期圍巖完整，后期極為破碎；巷道收斂變形大；支護結構破壞比較明顯。從巷道的變形和破壞特點可以看出，現場支護結構不能滿足該處巖層條件的支護要求，巷道發生嚴重變形和破壞的因素包括構造應力、巖性軟弱破碎、圍巖（煤）裂隙發育、不合理的支護參數及施工質量控制等幾方面。

（1）5#煤層最大主應力為水平應力，高構造水平應力造成南北向巷道穩定性差，而東西向巷道穩定性相對較好。

（2）巖性較弱、固巖裂隙發育和斷層使得巖體的承載能力顯著降低，而且頂板地質條件多變，巖性不均。

（3）巷道原幫部支護不足，導致發生片幫垮落，降低了頂板的穩定性。

（4）對于頂板破碎的巷道來說，預緊力設計值120 N·m 偏小，而且在調查中施加預緊力的設備配套不完整，壓力表損壞或缺失，導致預應力不足，造成巷道變形較大。此外，網片剛度不足也是導致巷道嚴重變形的重要原因。

3 數值模型分析

81511 工作面開采煤層為二疊系大同組5#煤，煤層角8°～10°，為中強度煤層，f＜1.5，煤層節理中等發育，層厚2.04～2.06 m。

3.1 模型的建立

數值計算模型寬度、高度、進深均取30 m，網格按巖層分區劃分。巷道采用全斷面一次開挖，循環進尺1.6 m，分9 次掘進完成，成巷總長度為11.4 m。觀測斷面3 個，分別位于進深1.5 m、4.5 m、7.5 m 處。

3.2 不同支護方案的模擬分析

利用FLAC3D進行支護方案優化，依據強幫強角的支護設計理論，主要通過調整錨桿（索）數量、間排距、長度及角度，對十種可行方案進行對比分析，從圍巖位移、塑性區分布及錨桿受力等方面分析巷道周邊巖層的力學響應情況，提出巷道優化支護方案。

優化支護方案將錨索布置于頂板角部位置，可以明顯改善巷道角部的受力情況，加強巷道幫部支護。幫錨桿長度由原設計的2.0 m 增加到2.4 m，有效地提高了幫部支護強度。優化支護后，幫部傾角為20°，高幫上排錨桿上傾15°，低幫第一排錨桿水平布置。

從表1 可以看出，頂錨桿豎向布置時，巷道圍巖位移有所減小，頂板下沉減少幅度最大，為6.86%，說明錨桿在傾斜頂板豎向布置可以改善頂板穩定性。

表1 不同支護方案圍巖位移

對比可以看出，優化支護設計對圍巖控制效果比原方案略好，錨桿豎向布置充分發揮了錨桿的預應力，錨桿數量減少1 根，但變形幅度增加較少。錨桿豎向布置也減少了垂直頂板布置時有副作用的水平應力，從而減小了幫部及底板的應力及變形。

3.3 最終支護方案

3.3.1 頂板支護形式

頂板支護形式如1 所示，頂板錨桿由原來的6根改為5 根，間排距改為1000 m×800 mm，錨桿規格為Ф20 mm×2400 m，頂板中間3 根錨桿改為豎直方向布置，角部頂錨桿傾角與水平方向呈75°，采用1 支CK2355 和1 支K2355 錨固劑。

圖1 頂板錨桿布置示意圖（單位：mm）

錨索呈五花布置，間排距2000 mm×800 mm，一排1 根布置于巷道頂板中線位置；下一排2 根，布置于頂板2、4 號眼位，均呈豎向布置，規格仍為Ф17.8 mm×4500 mm，采 用1 支CK2355 和2支K2355 錨固劑。

3.3.2 兩幫支護形式

兩幫錨桿數量和位置不變，間排距為850 mm×800 mm，錨固長度增加，1 支CK2355 和1支K2355 錨固劑。高幫第一排錨桿傾斜角度改為與水平方向15°，錨索傾角改為20°，矮幫第一排錨桿改為水平布置。

托盤為厚度12 mm 鐵板，金屬網為直徑6 mm的菱形鐵絲網，鋼筋梯子梁連構件。

4 圍巖位移監測

為了檢驗新方案的支護效果，進行了巷道表面位移觀測和頂板離層量觀測，共布置4 個監測斷面，其中81511 運輸巷道1 個監測斷面，材料巷道3 個監測斷面。選取的斷面2 仍采用原支護方案，斷面1、3、4 采用新支護方案。采用新方案后，共計掘進巷道約600 m，其中材料巷約100 m，運輸巷約500 m。

4.1 頂板離層量分析

對4 個斷面進行觀測，得到頂板離層指示儀觀測數據。從數據可以看出，所選監測斷面頂板離層量變化較大，斷面1 離層量較小，而斷面2、3、4離層量較大，說明巷道地質條件多變，巷道所處位置巖體力學性質多變。淺部離層量遠遠大于深部，說明離層現象主要發生在直接頂巖層，處于不穩定狀態，而基本頂為穩定巖層。同時也說明頂板主要破壞模式為剪切-拉伸破壞。幾個測站的頂板平均下沉量為69 mm，與數值模擬結果（68 mm）非常接近。

4.2 巷道表面收斂分析

（1）巷道變形受采動影響明顯，巷道各段受采動影響不盡相同，斷層附近兩幫最大收斂量為545 mm，頂底板收斂量最大為720 mm，而頂板條件好的位置，圍巖則無明顯變形。

（2）局部巷道頂板與兩幫結合的角部發生破壞，主要在矮幫一側，矮幫變形量較大，高幫反而相對較小些，與數值規律相符。

5 結論

采用FLAC3D數值模擬方法，設計一套適合5#煤層地質條件的新型支護方案，并在81511 工作面材料巷和運輸巷進行了約600 m 試驗。經收斂觀測和頂板離層量觀測，優化后的支護設計效果較好，巷道沒有出現大的變形及冒頂現象，取得以下結論：

（1）5#煤層圍巖第一主應力為水平應力，水平主應力為垂直應力的1.13～2.5 倍，水平應力方向為85°～101°，高水平應力對南北向巷道影響大而對東西向巷道影響較小。

（2）5#煤層頂板破壞以剪切拉伸破壞為主，碎脹應力導致頂板變形大。煤巷低幫一側應力較為集中，低幫位移大于高幫位移量。

（3）煤巷角部和兩幫是巷道支護的關鍵部位，通過增加桿（索）的長度或增加其密度等措施，可以提高煤巷幫部的強度與剛度，達到強幫護頂的目的。