深部巷道支護方案優化設計及數值模擬研究

郭 平，沈大富

(1.重慶市能源投資集團有限公司，重慶 400061； 2.重慶工業職業技術學院 建筑工程學院，重慶 401120)

近年來，隨著我國中東部煤礦區淺部可采煤炭資源的枯竭，開采深度逐漸向深部轉移，煤層賦存地質條件越來越復雜，地應力明顯增高，瓦斯含量增大，瓦斯壓力增高，煤體強度降低且容易風化水解，均為深部煤層安全高效開采帶來了新的難題[1-4]，深部巷道的安全支護問題就是其中之一。相比淺部巷道而言，深部巷道的力學性質從脆性破壞逐漸轉變為黏塑性破壞，變形破壞明顯加大，使深部煤層巷道維護難度急劇增大[5-10]。針對深部巷道的維護，關鍵在于支護方案的優化選擇，然而，目前大多數深部巷道的支護往往憑借淺部巷道的支護經驗，盲目采用加密錨桿布置、噴錨網支護或者摩擦錨桿支護等方式，雖然在一定程度上減緩了深部巷道的變形破壞，但同時也增加了支護成本且減緩了巷道的掘進，影響了煤礦的“采—掘—抽”工程銜接部署。筆者以重慶能投集團所屬的松藻煤電公司打通一礦為研究對象，針對該礦W2710運輸巷道埋深大、圍巖強度低，巷道變形嚴重、支護成本高、掘進效率低等問題，基于礦井通風、深部巖層控制理論[11-13]提出優化巷道支護方案，為巷道支護提供科學依據。

1 基本概況

松藻煤電公司打通一礦位于重慶市南部，緊鄰重慶市與貴州省交界處，行政屬綦江區打通鎮所轄。該礦現設計能力1.8 Mt/a，區內煤層平均傾角為8°，屬煤與瓦斯突出礦井。該礦含煤一般為8～9層，可采煤層有M6、M7、M8、M11煤等4層，間距較小，屬近距離煤層群。礦井采用斜井和豎井聯合開拓，工作面采用傾斜長壁仰斜綜合機械化開采，液壓支架支護，全部垮落法控制頂板。開采方法為采區內由近及遠開采(前進式)，工作面為后退式回采。

W2710運輸巷工作面區域開采M7煤層，該煤層埋深500 m，平均煤厚0.85 m。煤質較純，呈黑色，半亮型，性脆，煤層節理發育，頂部泥質較重。煤層中下部夾一層厚度不均的軟分層。W2710 運輸巷布置在M7煤層中，為半煤巖巷道，其頂底板多為泥巖，巖性較軟弱。地質構造簡單，煤層賦存穩定，平均傾向265°，平均傾角8°。巷道位于W2708工作面以南，巷道底板標高為203～320 m，巷道采用掘進機一次性切割成巷法。煤巖層綜合柱狀圖見圖1。

圖1 煤巖層綜合柱狀圖

W2710運輸巷斷面形狀采用直墻圓弧拱，寬×高為4.10 m×3.30 m，斷面面積為13.38 m2，凈斷面積為10.30 m2。巷道目前采用錨網梁聯合支護，頂部采用直徑18 mm、長度2 000 mm左旋螺紋錨桿，間排距700 mm×600 mm；兩幫采用直徑16 mm、長度 1 600 mm 左旋螺紋錨桿，排間距600 mm×600 mm；金屬網為12#鉛絲制作的菱形金屬網，巷道斷面參數及支護形式見圖2。現場觀測發現，W2710運輸巷在掘進期間，支護效果較差，圍巖變形劇烈，兩幫煤巖體片幫現象普遍，巷道頂底板平均移近量達1.3 m(以巷道底鼓為主，高達1 m以上)，巷道頂部下沉量較小，約在0.2 m以內。巷道斷面整體收斂率高達40%，且圍巖變形速率暫無減緩的趨勢。

圖2 巷道斷面參數及支護方式

2 巷道支護方案設計優化

為保證巷道能正常使用且提高斷面利用率，將原直墻圓弧拱巷道斷面改為直墻平頂圓弧拱斷面，巷道寬×高為3.90 m×3.15 m，掘進斷面面積為12.86 m2，凈斷面面積為10.97 m2，減少掘進斷面面積0.52 m2，凈斷面面積增加了0.67 m2。經驗算，優化后的巷道斷面風速能滿足《煤礦安全規程》要求[14]。

根據礦山壓力顯現及深部巖層控制理論，同時結合W2710巷道目前支護存在的主要問題，初步提出了以錨桿+W鋼帶+網相結合為基礎的3種優化支護方案。3種方案均采用左旋細牙螺紋錨桿；頂板均采用寬160 mm、長度為5 m、厚度為2.75 mm的W鋼帶進行加強支護；金屬網均采用10#鉛絲編織，網孔距為40 mm×40 mm。3種設計方案錨桿間排距分別為600 mm×600 mm、900 mm×900 mm、1 200 mm×1 200 mm，具體支護參數見圖3。

(a)巷道支護方案Ⅰ

3 巷道支護方案數值模擬分析

3.1 巷道模型構建

本次分析采用FLAC3D[15-16]有限差分軟件對巷道變形進行數值模擬，依照巷道設計尺寸建模，模型尺寸為22 m×20 m×8 m；巷道埋深500 m，覆巖平均重度為2.5×104N/m3；垂直應力取12.5 MPa，力學模型選用莫爾-庫侖準則。模型建立后，在兩側邊界施加水平方向的位移約束，在底面施加垂直方向的位移約束，在前后表面施加側向的位移約束，頂面施加應力邊界。

3.2 數值模擬結果分析

3.2.1 巷道圍巖水平位移分析

圍巖在水平方向的變形將導致巷道兩幫的收縮，進而引起巷道壁片幫或鋼梁的大變形。不同支護方案條件下的圍巖水平位移等值線見圖4。從圖4中可以看出，原支護方案的兩幫相對位移量達到325.0 mm，方案Ⅰ的兩幫相對位移量達266.0 mm，方案Ⅱ的兩幫相對位移量達239.0 mm，方案Ⅲ的兩幫相對位移量達291.2 mm。在水平位移控制方面，巷道支護設計方案Ⅱ優于原支護方案、巷道支護設計方案Ⅰ和方案Ⅲ。

(a)原支護方案 (b)支護方案Ⅰ

3.2.2 巷道圍巖垂直變形分析

巷道圍巖在垂直方向的變形將引起頂底板的過度沉降或底鼓，進而導致頂板的離層或垮塌，該變形將導致巷內支護結構和底板軌道的大變形，是影響巷道穩定性的重要指標[17]。巷道圍巖的垂直位移等值線見圖5。從圖5中可以看出，4種支護方案條件下的底鼓量基本相同，但頂板下沉量差異較大。原支護方案的頂底板相對位移量為378.8 mm；方案Ⅰ的頂底板相對位移量為363.8 mm；方案Ⅱ的頂底板相對位移量為362.3 mm；方案Ⅲ的頂底板相對位移量為372.7 mm。

(a)原支護方案 (b)支護方案Ⅰ

3.2.3 圍巖塑性區演化規律

圍巖塑性區演化規律見圖6。從圖6中可以看出，巷道在錨桿和鋼帶支護條件下，巷道表層巖體的整體性得到了明顯的提升。兩幫和頂板的破壞單元分布較為均勻，且隨著應力集中程度的增加，塑性區范圍也隨著增大。當采用原支護方案時，塑性區深度約為0.7 m；方案Ⅰ塑性區深度約為0.7 m；方案Ⅱ塑性區深度約為0.5 m；方案Ⅲ塑性區深度約為0.6 m。此外，雖然采用不同支護方案，均會引起巷道底角破壞深度的增大，但方案Ⅱ明顯優于其他支護方案。

(a)原支護方案 (b)支護方案Ⅰ

雖然上述幾種支護方案都能一定程度阻止巷道的變形，但由于支護參數的不同，導致支護效果與支護成本差異較大，具體見表1。

表1 各支護方案效果及成本

分析表1可知，方案Ⅰ支護效果明顯優于原方案，但二者成本基本相當，表明巷道斷面參數優化合理；對比方案Ⅰ和方案Ⅱ可知，兩種方案的支護效果基本相同，但方案Ⅰ成本較方案Ⅱ增加約30%；對比方案Ⅱ和方案Ⅲ可知，當頂部錨桿數量少于7根時，頂板下沉量變化明顯增大，支護效果較差。W2710運輸巷道支護依靠盲目增加錨桿的數量和支護密度不能從根本上解決巷道支護問題，只有選擇合理的錨桿參數才能真正解決此問題。根據上述數值模擬結果及相關成本分析可知，方案Ⅰ和方案Ⅱ明顯優于其他支護方案，但方案Ⅰ成本相對較高，因此選擇方案Ⅱ作為打通一礦W2710運輸巷道支護方案。

4 現場試驗驗證

為了驗證W2710運輸巷道支護優化效果，在現場采用井字布點法分別對巷道兩幫收斂量及巷道頂底板移近量進行觀測。優化前后巷道變形量對比曲線見圖7。

(a)巷道頂底板移近量

從圖7(a)可知，巷道頂底板移近量隨時間增加呈現明顯的階段性增大趨勢，優化前后位移變化曲線具有明顯的相似性。巷道支護未優化時，在觀測20 d內，隨著初次來壓顯現，巷道頂底板移近量從 0 mm 急劇增大到92.00 mm，其值占整個監測時間內頂底板移近量的66.67%；在觀測20～60 d內，巷道頂底板移近量增大趨勢變緩，巷道頂底板移近量從92.00 mm增大到138.12 mm。巷道支護優化后，在觀測20 d內，隨著初次來壓顯現，巷道頂底板移近量從0 mm急劇增大到46.70 mm，其值占整個監測時間內頂底板移近量的69.47%；在觀測20～60 d內，巷道頂底板移近量增大趨勢變緩，從46.70 mm增大到 67.22 mm。對比分析優化前后巷道頂底板移近量可知，巷道支護方案優化后，巷道頂底板移近量減小51.33%，優化后的巷道支護方案較好地控制了巷道頂底板的變形。

從圖7(b)可知，巷道兩幫變形量隨時間增加呈明顯增大趨勢。巷道支護未優化時，在觀測60 d內，巷道兩幫變形收斂量從0 mm增大到118.90 mm，平均每天變化1.98 mm。巷道支護優化后，在觀測60 d內，巷道兩幫變形收斂量從 0 mm 增大到59.32 mm，平均每天變化1.25 mm。對比分析優化前后巷道兩幫收斂量可知，巷道兩幫收斂量明顯比優化前有所減小，且增大速度比較緩和。巷道支護方案優化后，巷道兩幫收斂量減小50.11%，優化后的巷道支護方案較好地控制了巷道兩幫變形。

巷道支護優化方案有效控制了W2710運輸巷道變形，巷道變形量得到了較好控制，整個巷道的圍巖變形比較緩和，提高了巷道的抗拉和抗剪應力強度，提高了巷道的穩定性和安全性。

5 結論

針對重慶能投集團所屬松藻煤電公司打通一礦W2710運輸巷道埋深大、圍巖強度低，巷道變形嚴重、支護成本高、掘進效率低等問題，設計優化了巷道支護方案，并進行了現場試驗驗證，主要結論如下：

1)針對W2710運輸巷道目前支護存在的問題，從礦井通風和深部巖層控制理論角度出發，在原有支護方案基礎上優化了巷道斷面參數及錨桿布置參數，設計了3種新的巷道支護方案，并采用數值分析方法從位移、變形角度對比分析了不同支護方案條件下的支護效果，得到了W2710運輸巷道的優化支護方案。

2)現場試驗表明，W2710運輸巷道支護方案優化后，巷道頂底板最大移近量為67.22 mm，相比優化前，巷道頂底板移近量減小51.33%；巷道兩幫變形最大收斂量為59.32 mm，相比優化前，巷道兩幫變形收斂量減小50.11%；設計優化的支護方案能很好地限制巷道的變形，支護優化效果良好，且有效減少了巷道支護成本。