巷道聯合支護控制技術及圍巖變形規律研究

何鵬飛

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 方山 033000）

隨著社會發展和科技進步，礦山設備也在不斷發展和革新，同步要求礦山支護控制技術水平不斷提升，以實現最佳巷道掘進與支護效果[1-4]。

本文以木瓜煤礦南區左翼下組煤輔助運輸巷支護控制為研究對象，通過數值模擬分析了聯合支護技術的圍巖變形及塑性區發展控制效果[5-7]，以期為類似工程提供設計施工依據與技術指導。

1 工程概況

木瓜煤礦位于山西省呂梁市方山縣大武鎮木瓜村，南區左翼下組煤輔助運輸巷上部地表主要以侵蝕性黃土梁峁為主，其次為黃土溝谷地貌。采掘范圍地表上方及以東為盛地溝村，西北方向有任家塔村，西南方向有徐家山村。工作面地表有一條通往盛地溝村的鄉村水泥路及窯洞、磚瓦房，無高壓線塔、油氣管路及水體。掘進期間，煤層頂板采用錨網梁支護，頂板巖層下沉量微小，預計不會影響到地表建筑物。蓋山厚度為241～275 m。

南區左翼下組煤輔助運輸巷長1 227.2 m，位于采區中部，沿東西方向布置，開口穿層見9#煤頂板后沿煤層頂板掘進。

南區左翼下組煤輔助運輸巷布置在石炭系下統太原組的9#、10#煤層中，煤巖層賦存較穩定。頂板均為石灰巖，平均厚度為19.7 m；底板為砂質泥巖，厚度為0.8～2.6 m。9#煤層厚度為2.2～3.8 m，10#煤層厚度為1.4～1.8 m，9#煤與10#煤層夾矸厚度為0.3～1.0 m。巷道直接頂板為泥巖、砂質泥巖，基本頂砂巖節理較發育；底板為粗砂質泥巖、泥巖，裂隙較為發育，易發生大變形，若支護不及時或不合理，易產生巷道變形破壞，影響巷道正常掘進施工。

2 巷道聯合支護控制技術

南區左翼下組煤輔助運輸巷采用機掘一次割煤成巷的方法進行開口，采用膠帶輸送機出煤，采用錨網索噴聯合支護，頂部采用錨桿、錨索加金屬網聯合支護，幫部采用錨桿加勾花網聯合支護，如圖1。

圖1 巷道支護控制技術（mm）

為將錨桿加固的“組合梁”懸吊于堅硬巖石中，采用高強度錨索進行加強支護，制定巷道支護控制技術為錨網索+噴漿支護。對于巷幫片幫嚴重或壓力顯現較大地段等，需用錨索、鋼棚、點柱進行加強支護，具體支護形式根據現場實際情況，制定加強技術措施。支護材料采用矩形金屬焊接網、勾花網、螺紋鋼錨桿等。

巷道支護控制參數如下：

（1）錨索支護。僅在巷道頂板采用錨索支護，錨索間排距1600 mm×1600 mm，矩形布置，頂部布置3 根直徑17.80 mm、長度7300 mm 錨索；在頂板破碎、頂板淋水嚴重等地段，采用補打錨索形成五花斷面。

工作面開口處在原有支護措施的基礎上，補打鎖口錨索4 根，錨索采用Φ17.80 mm，1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度7300 mm，間距1200 mm，垂直頂板巖層，初次張拉力230 kN，預緊力損失后不低于180 kN。

（2）錨桿支護。間排距800 mm×800 mm，呈矩形布置，每排7 根。錨桿規格為Φ20 mm、L2200 mm 的左旋螺紋鋼錨桿。托板150 mm×150 mm，厚8 mm。錨桿錨固力≥105 kN，錨桿扭矩300 N.m。

頂部中間錨桿垂直頂板，靠近兩幫頂錨桿與頂板呈75°夾角布置且距兩幫各200 mm，錨桿托盤要緊貼頂板。巷道頂板錨桿支護嚴格按照支護設計間排距要求打設，當局部片幫或超寬，頂角錨桿距幫部大于400 mm 時，必須在頂角處補打錨桿。掘進時頂板永久支護距離工作面迎頭最大不超過200 mm，探水時兩幫支護需緊跟工作面。

（3）鋼筋網。鋼筋網片Φ6 mm，長× 寬=2000 mm×1000 mm，網格長×寬=100 mm×100 mm。網片搭接長度至少為100 mm，每200 mm 聯網一道，采用14#鐵絲相連，扭結不小于3 圈，長邊、短邊均搭接；幫部采用勾花網支護，勾花網Φ2.8 mm，長×寬=2000 mm×1100 mm，網格長×寬=100 mm×100 mm，網片搭接長度至少為100 mm，每200 mm 聯網一道，采用14#鐵絲相連，扭結不小于3 圈，長邊、短邊均搭接。

（4）噴射混凝土。噴射混凝土強度為C20，混凝土強度抗拉70 MPa，抗壓1.4 MPa，配比為水泥:砂:石子=1:2:2，速凝劑摻入量一般為水泥重量的3%～4%，速凝劑必須在噴漿機上料口均勻加入。

3 巷道支護穩定性數值分析

根據圍巖地質條件，建立FLAC3D數值計算模型，模擬巷道掘進施工圍巖變形和塑性區發展情況。

3.1 建立數值模型

建立50 m×50 m×50 m 巷道數值計算模型。邊界條件采用底部邊界固定，豎向邊界采用水平約束。巷道圍巖采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型進行模擬分析。圍巖地質力學參數見表1。

表1 圍巖地質力學參數

3.2 巷道圍巖變形特征

巷道開挖后（尚未進行支護），其圍巖收斂變形及底鼓變形如圖2，可以看出：

圖2 巷道圍巖變形曲線

（1）巷道兩幫收斂量最大值為170 mm，巷道圍巖應力釋放較大，變形超過可控范圍。底鼓變形量達到350 mm，不能滿足圍巖變形要求，說明需立即進行錨網索噴聯合支護。

（2）巷道支護前，其底鼓變形量超過350 mm，且變形速度最大為52 mm/d，不滿足安全控制要求，且變形時間較長，巷道難以自穩。

巷道采用錨網索噴聯合支護后，其圍巖變形情況如圖3、圖4。可以看出，采用錨網索噴聯合支護后，巷道兩幫變形量減少約45.5%，頂板下沉量為50 mm，減小了52%，底鼓變形量為46 mm，減小了77.5%，取得了良好的變形控制效果。說明該支護方式具有較高的變形控制效果，支護體系聯合發揮穩定控制效果，有效控制了圍巖的演化變形。

圖3 巷道圍巖變形圖

圖4 巷道圍巖變形曲線

3.3 塑性區發展特征

巷道采用錨網索噴聯合支護后，其圍巖塑性區發展特征如圖5。可以看出，采用錨網索噴聯合支護后，巷道圍巖塑性區范圍明顯減小，頂板及兩幫塑性區范圍也相應減小，尤其是底板下部泥巖及泥質砂巖層基本未發生塑性破壞，底板受拉塑性破壞得到明顯改善。

4 結論

根據巷道地質情況，提出了錨網索噴聯合支護控制技術，頂部采用錨桿、錨索加金屬網聯合支護，幫部采用錨桿加勾花網聯合支護。通過數值模擬分析和現場監測表明，該支護技術能夠有效控制圍巖變形，巷道頂板下沉量減小了52%，兩幫變形量減少約45.5%；巷道圍巖塑性區范圍明顯減小，頂板及兩幫塑性區范圍也相應減小，工程應用效果良好。