軟巖巷道復雜空間支護設計研究及工程實踐

李 峰

（霍州煤電集團有限責任公司山西031400）

關鍵字：軟弱；圍巖；復雜；支護；實踐

0 前言

辛置煤礦310水平二采區軌道巷末端受特大斷面交叉巷道和上覆軟弱泥巖影響，巷道空間位置關系和圍巖應力分布十分復雜，類似復雜交叉巷道[1-3]經常由于支護不合理造成巷道破壞和反復返修，為了尋求安全經濟的支護方案，以該復雜巷道交叉處工程為例對其圍巖應力分布特點和支護對策進行研究，并取得了良好的效果，對于解決類似復雜空間巷道支護問題[4,5]提供了實踐經驗。

1 工程背景

辛置煤礦位于山西省臨汾市北緣，始建于1956年，核定生產能力280 萬t/a，開拓方式為混合開拓，開采水平有+540 m，+450 m，+310 m 三個，其中310 水平二采區為新準備采區，主采2#煤，煤層圍巖頂底板特性見表1。

表1 圍巖頂底板巖性特征

二采區軌道巷末端區域內區域巷道多、地理關系復雜，交叉巷道空間位置關系見圖1，其中二采區軌道巷道為拱形巷道，掘拱形巷道凈高3.9 m，掘進凈寬5 m，底板標高＋230 m，距地面高度480 m。

圖1 交叉巷道空間關系

2 開挖支護數值模擬

采用摩爾－庫侖模型，模型尺寸為30 m×10 m×43 m，模型材料參數見表2。

表2 計算模型中巖層和煤體的力學參數

模擬巷道埋深480 m，上邊界施加均布載荷垂直應力11.7 MPa，水平邊界xy 兩個方向固定，底部邊界豎直方向固定。根據原始地質條件、巖層屬性和賦存情況，對模型進行相應的巖層布置、節理塊體的劃分以及施加約束條件，計算模型、巷道模型支護斷面分別見圖2、圖3。

圖2 計算模型示意圖（m）

圖3 二采區軌道巷斷面及支護示意圖

3 巷道應力分布特征

通過FLAC3d軟件對“錨桿+錨索”、“錨桿+錨索+錨噴”不同支護及間排距方案進行模擬分析，綜合現場實際確定最優的支護方案。

3.1 不同支護方式下的模擬對比

圖4 錨桿錨索桁架支護下

圖5 錨桿錨索桁架錨噴支護

圖6 錨桿錨索桁架支護

圖7 錨桿錨索錨噴支護下

由圖4-7可知，錨桿錨索支護情況下，巷道垂直方向最大位移120 mm，大于100 mm 的范圍為2.4 m 左右，由于錨桿錨索的支托作用，其承受的垂直應力有一定程度加強，巷道最大水平位移量80 mm。錨桿錨索錨噴情況下，巷道垂直方向最大位移為98 mm，大于80 mm范圍為2 m左右，巷道最大水平位移量60 mm。

從效果來看，錨桿和錨索桁架足以可以控制住巷道的變形，水平位移方面也有同樣的改善，巷道的最大水平位移量20 mm，其深度也又有進一步變淺的趨勢。若使用錨噴后巷道自承載能力迅速增強，巷道發揮了其自承載能力，效果更好。

3.2 結構單元受力對

從上圖8，9可知，錨桿錨索支護方案情況下，錨索結構單位受力為6.39×106N，錨桿錨索錨噴支護方案情況下，錨索結構單位受力為1.55×106N，增加錨噴后，錨桿錨索受力明顯減少，從圖中還可以看出，桁架豎向受力為2.3×108N，在桁架承載范圍對圍巖起到了很好的支撐作用。

圖8 錨桿錨索支護下受力

圖9 錨桿錨索桁架錨噴支護下受力

4 支護方案及效果

4.1 支護方案比較及選擇

表3 錨桿索間排距不同時巷道圍巖變形量

結合理論模擬結果表3 及臨近工作面支護經驗，確定選用方案2：拱形斷面布置，錨桿每排19 根，其中兩幫8根，頂部11根；幫部φ22×2 500 mm左旋螺紋鋼高強錨桿，頂部φ20×2 500 mm 的左旋螺紋鋼高強錨桿，排間距為800×800 mm，錨索采用φ21.6×8.5 m 鋼絞線“323”布置，排間距1 600 mm×1 600 mm。全斷面采用8#鐵絲菱形網（初噴厚度不小于40 mm）。

4.2 支護效果

復雜空間巷道錨桿索施工期間，設置有2 個測點對巷道兩幫移近量和頂底板移近量測量，連續兩個月監測數據顯示：兩幫總回縮量分別為0.13 m、0.09 m，頂底板移近量分別為0.26 m、0.19 m。實踐結果表明，特大斷面巷道頂板下沉和兩幫移近的變形在理論計算范圍內，沒有出現由于受力導致的宏觀裂隙，達到了支護設計的要求，取得了良好的支護效果。

5 小結

（1）錨桿錨索錨噴的支護條件下，模擬結果顯示巷道垂直方向最大位移110 mm，且100 mm 的范圍僅為2.0 m左右，由于桁架的支撐作用，垂直應力出現加強，噴漿有助于圍巖形成一個整體承載結構，消除圍巖因局部松動破壞而影響整體承載，三者聯合支護形成了一定強度的整體。

（2）實踐表明“錨桿錨索+錨噴”支護方案有效控制了頂板離層、滑動、裂隙擴展與新裂隙的產生等擴容現象，降低了斷面收縮率，能有效控制巷道變形，使得巷道充分發揮了其自承載能力，監測點巷道變形情況在理論控制范圍內。