軟弱黏巷道穩定性支護優化研究

郝 龍

（西山煤電（集團）有限責任公司， 山西 太原 030053）

引言

軟弱巖石中開挖巷道以及支護長久以來都是非常棘手的問題，當前國內在該方向還不能完全解決問題。同時國內現在中西部開采力度在不斷加大，由地質勘查資料表明，中西部地區例如在內蒙古以及新疆等地區，大部分礦區的煤層首采層是侏羅紀煤層，即表土層基本屬于第三系、第四系，厚度基本都小于100 m；表土層之下大多數是厚度比較大的白堊系軟巖地層或者侏羅系地層，富含細砂巖、砂巖、泥巖等巖石力學特性不高的軟弱巖石。中西部特殊巖石沉積過程和成巖環境，讓巖石表現出和東部軟巖較大的區別，例如巖石強度低、膠結性差、易崩解等，遇水極易軟化成為泥狀，給巷道開挖和支護帶來極大困擾。本文通過以內蒙古孫家壕煤礦這種特殊巷道圍巖為研究案例，探討在軟弱黏圍巖巷道中的支護優化研究。

1 工程背景

內蒙古準格爾鎮孫家壕煤礦主要處于第四系松散層下，該礦出現明顯的垂直節理發育、黃土固結性差的特征。煤層位于礦區東部出現一定風化現象。風化帶內出現圍巖破碎、遇水膠結、煤裂隙發育狀況。孫家壕煤礦開采6 號煤層是使用金屬支架和煤柱聯合支護法，出現冒頂和片幫現象。因此對于9 號煤層的開采，需要對支護方案進行重新考慮設計，最大程度保障安全生產[1-2]。

內蒙古孫家壕煤礦9 號煤層埋深平均是231.38m，該煤層頂板巖層未砂巖、砂質泥巖以及泥巖等，同時底板主要是細砂巖和泥巖等，還有少量的碳質泥巖和粘土巖，抗壓強度在10.9～47.1 MPa，9 號煤層發育較為穩定，周邊巖層為低強度巖層，煤層厚度2.04～10.69 m，平均 4.1 m，含夾矸 0～7 層，平均 4層，為全區可采的較穩定煤層。

2 巖體力學參數確定

根據《內蒙古孫家壕煤礦地質報告》、《內蒙古孫家壕資源儲量核實報告》及鉆孔資料，獲得了9 號煤層頂底板的巖體節理裂隙密度和平均間距，如表1所示。

表1 巖體節理裂隙密度和平均間距

在9 號煤層頂底板巖層中由GSI 強度指標進行評價，由GSI 評價結果，通過Hoek-Brown 強度準則可推出巖體的參數，最后的轉化參數如表2 所示。

3 數值模擬

3.1 模型的建立

由于該煤礦回風巷道斷面是矩形，巷道斷面尺寸跨度和高度分別是5 m 和4 m，取模型巷道左右邊界為實際巷道寬的4 倍，頂部為巷道高的4 倍，底部為巷道高的3 倍，建立計算模型x 方向長度為50 m，y 方向長度為20 m，z 方向長度為30 m，即模型的大小長×寬×高（x×y×z）=50 m×20 m×30 m。模型一共51 120 個單元，56 175 個節點。大巷周圍錨固范圍進行網格加密處理，模型如圖1 所示。

表2 主要巖體力學參數計算結果

圖1 回風大巷模擬模型圖

圖1 為本次回風大巷未支護時的模型，從上到下共計分為6 層，依次為砂巖、砂質泥巖、頂板泥巖、煤、底板泥巖、細砂巖。同時本次模擬對大巷左右5 m、頂板上方10 m、下方8 m 位置開展網格加密處理，頂底板都是泥巖，回風大巷處于煤層中。未支護時回風大巷垂直位移云圖及塑性區如圖2 所示。

3.2 支護方案的確定

根據以往經驗以及巷道未支護變形的實際情況，支護方案初步確定為錨網索。具體支護方案如表3 所示。

3.3 支護效果及支護方案選擇

3.3.1 方案一支護下大巷變形特征

全錨桿支護下的垂直方向位移云圖，回風巷道頂板下沉最大4.08 cm，底板底鼓最大值是1.5 cm，回風巷道在方案一即全錨桿支護下頂板下沉較大，支護效果不理想。

圖2 未支護時回風大巷垂直位移云圖及塑性區

表3 三種不同的支護方案

由塑性區圖3 可知，巷道兩幫破壞范圍在1～2m，兩幫破壞十分嚴重。頂板破壞范圍為0.5～1.5 m，底板破壞范圍為0.5～1 m。

圖3 方案一支護下回風大巷垂直位移云圖及塑性區

3.3.2 方案二支護下大巷變形特征

方案二為全錨索網支護，根據圖4 可知頂板下沉量最大是3.16 cm，底板底鼓量最大是1.6 cm，頂底板位移范圍分別是4.5 m 和3 m，頂底板在方案二支護中破壞情況較小。

由塑性區圖4 可知，相比較于方案一，方案二支護下巷道頂底板破壞范圍有所降低，頂板以及底板破壞范圍均為0.5～1 m，兩幫也均有著1.5 m 的破壞范圍。塑性區在方案二支護下有所縮小，提升了支護效果。

圖4 方案二支護下回風大巷垂直位移云圖及塑性區

3.3.3 方案三支護下大巷變形特征

由圖5 可知回風大巷在方案三支護下，頂板下沉量范圍是2.5～2.8 cm，底板底鼓量0.5～1.47 cm，頂板和底板受到影響范圍分別是4 m 和3.5 m，頂底板在方案三支護下移動量獲得有效控制。

圖5 方案三支護下回風大巷垂直位移云圖及塑性區

由塑性區圖可知，相比較于方案二塑性區有所減小，破壞范圍僅為0.5～1 m，回風大巷兩幫有著較為一致的破壞范圍，范圍在1.5 m 左右。

3.3.4 支護方案選擇

回風大巷使用方案一支護時，不論是兩幫還是頂底板均有著較大的位移量，巷道從整體上有著較大的破壞難以保證生產；回風大巷使用方案二支護時，巷道兩幫和頂底板均得到了較為有效的控制；在方案二的基礎上，方案三讓錨桿預緊力以及直徑增加，取得的支護效果要優于方案二。此外對錨桿直徑的增加不會帶來成本的大量增長，所以通過對比選擇方案三進行支護。

4 工程應用

對支護方案三開展工業性試驗，將2 個綜合監測站布置在9 號煤層回風大巷中開展巷道位移監測，監測周期定為兩月，巷道兩幫及頂底板位移變化曲線見圖6。

圖6 1 號監測站及2 號監測站頂底板及兩幫變形量

對2 個綜合監測站收集到的數據進行分析可知，回風巷道頂底板變形量分別是34 mm、28 mm，巷道兩幫有35 mm 的變形量，在數值上和前文模擬結果較為接近，同時變形量不超過斷面尺寸的1%，能夠滿足實際生產要求，這就說明方案三即錨桿錨索金屬網聯合支護有著良好的支護作用[3-5]。

5 結論

依托內蒙古孫家壕煤礦，利用數值模擬和現場監測兩者結合的辦法進行研究，通過FLAC3D 數值模擬軟件分別對開挖和支護模型開展模擬，選擇方案三即錨索網支護并通過現場實際應用及監測，獲得良好支護結果，對本文研究的軟弱黏圍巖下巷道支護有著一定的現實意義，對于豐富軟巖支護也有一定的價值。