深埋軟巖巷道變形破壞機(jī)理及支護(hù)設(shè)計(jì)

余中浩 姚金濤 魏善斌

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

宿州朱仙莊煤礦Ⅱ836 工作面風(fēng)巷屬于深埋軟巖巷道，容易產(chǎn)生頂板下沉、片幫、底鼓等變形破壞，所以其支護(hù)工作相對(duì)困難。為了保證巷道圍巖在工作時(shí)不發(fā)生失穩(wěn)破壞，必須對(duì)深埋軟巖巷道工作面開展支護(hù)設(shè)計(jì)可行性研究，研究其圍巖受到外力影響時(shí)失穩(wěn)破壞的內(nèi)在因素，并為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)合理的方案[1-5]，以達(dá)到滿足安全使用的要求。

1 工程概況

Ⅱ836 工作面回采煤層為8 煤層，回采上限為-500.3 m，下限為-613.3 m，走向長476.3 m，可采走向長380 m，傾斜寬為168 m（平）。煤層走向135° ～155°，傾向45° ～65°，傾角15°～25°。煤層厚度8.1～12.2 m，平均厚度為10.0 m。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

2 深埋軟巖巷道破壞機(jī)理

2.1 深埋軟巖巷道變形主要因素

埋深較大是深埋軟巖巷道較易發(fā)生變形破壞的影響因素之一。Ⅱ836 工作面埋深500.3～613.3 m，屬于深埋巷道，巷道受上覆巖層重力、側(cè)向應(yīng)力的影響較大，使得巷道更易發(fā)生較大變形而失穩(wěn)破壞。巷道直接頂（粉砂巖）和直接底（泥巖）的抗壓強(qiáng)度較低，符合軟巖特征，其自身強(qiáng)度低，導(dǎo)致巷道在垂直方向產(chǎn)生較大的形變，從而大大增加了巷道變形破壞程度。

2.2 深埋軟巖巷道破壞特征

深埋軟巖巷道由于其埋深較大，圍巖強(qiáng)度低，支護(hù)難度較大，其巷道破壞具有以下特征：

（1）深埋軟巖巷道能夠接受的應(yīng)力上限較低，但由于埋深過大，在高地應(yīng)力下，巷道出現(xiàn)了變形速率較快和變形量大的特征。通常當(dāng)深埋軟巖巷道被挖掘出后要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行支護(hù)，避免出現(xiàn)兩幫收斂、頂板下沉、底鼓等問題。

（2）軟巖巷道底部出現(xiàn)底鼓時(shí)表明其圍巖遭到了破壞，在巷道掘進(jìn)過程中，因?yàn)檐泿r承壓能力低，巷道在垂直方向上變化較大，容易出現(xiàn)底鼓。

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 巷道斷面設(shè)計(jì)

3.1.1 按工作面進(jìn)風(fēng)量計(jì)算

（1）工作面風(fēng)量計(jì)

按瓦斯涌出量計(jì)算：

以Ⅱ836 工作面為基礎(chǔ)，在測(cè)量瓦斯涌出量時(shí)，通過方程式計(jì)算得出瓦斯涌出量為q=5.6 m3/min，在此基礎(chǔ)上的瓦斯涌出出現(xiàn)了不均衡，其系數(shù)值為K=1.6，則：

按溫度計(jì)算：

工作面預(yù)計(jì)溫度為24°，風(fēng)速應(yīng)為1.6 m/s，則：

以S為工作面的平均斷面積進(jìn)行分析時(shí)，其最大（Smax）和最小（Smin）分別為9.5 m2和 6.5 m2。

按人數(shù)計(jì)算：

其中，N為工作面同時(shí)工作最多人數(shù)，取40 人。

根據(jù)上述計(jì)算，初選風(fēng)量為Q=1200 m3/min。

風(fēng)速驗(yàn)算：

依據(jù)以上計(jì)算，確定Q=1200 m3/min。

（2）確定工作面巷道斷面積

按經(jīng)濟(jì)風(fēng)速3.0 m/s 計(jì)算：

由于需要考慮巷道收縮量為10%，則巷道斷面不小于7.4 m2，就可以滿足通風(fēng)要求。

3.1.2 根據(jù)設(shè)備運(yùn)輸需要計(jì)

Ⅱ836 工作面風(fēng)巷最大運(yùn)輸設(shè)備為組裝后的綜放支架，外形尺寸為長×寬=6304 mm×1430 mm，考慮兩側(cè)安全間隙各500 mm，則巷道寬度為2430 mm。

3.1.3 按巷道變形計(jì)算

根據(jù)礦壓觀測(cè)，巷道收縮量為總長、寬的10%，風(fēng)巷斷面為寬×高=4.8 m×3.5 m，巷道寬度收縮量480 mm，高度收縮量350 mm。

3.1.4 風(fēng)巷斷面確定

根據(jù)以上計(jì)算、校核以及優(yōu)化處理，確定風(fēng)巷尺寸為寬×高=4.8 m ×3.5 m。

3.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

8 煤層傾角15°～25°，一般巷道的一幫生根在巖石中，用以提高巷幫的穩(wěn)定性。同時(shí)，8 煤層是極軟特厚煤層，普氏硬度僅0.3 左右，煤層可錨性差。通過支護(hù)工藝優(yōu)化比較，決定采用36U 三心拱U 型棚支護(hù)配合鎖梁錨索、鎖腿錨索、注漿錨索支護(hù)。

3.3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

風(fēng)巷斷面為凈寬×凈高=4800 mm×3500 mm，風(fēng)巷采用36U 三心拱U 型棚支護(hù)，棚距550 mm（中-中），支架間距誤差≤50 mm。在實(shí)際搭接時(shí)，可以通過兩副限位卡纜進(jìn)行固定，用于固定的卡纜螺母選擇300 N·m 的扭矩。壁后固定時(shí)，可以選擇運(yùn)用10#金屬網(wǎng)，再通過300 mm 的鐵背板進(jìn)行配合固定。在頂端敷設(shè)雙抗網(wǎng)，用12#鐵絲隔扣鏈接。為了讓支護(hù)效果更好，通過采用22 mm×3100 mm 錨索鎖腿梁予以加固。在最上方利用兩道規(guī)格為Φ22 mm×8200 mm 錨索和一道規(guī)格為Φ25 mm×8000 mm 的注漿索來加固支護(hù)，注漿索排距為1100 mm。

風(fēng)巷沿空側(cè)采用噴漿+注漿的加固方式，利用規(guī)格2500 mm 的自鉆式注漿錨桿，間排距1500 mm×1500 mm，噴厚100 mm 以上。巷道支護(hù)方案如圖1。

圖1 Ⅱ836 風(fēng)巷支護(hù)斷面圖（mm）

4 支護(hù)效果分析

為了檢驗(yàn)工作面巷道支護(hù)效果，在Ⅱ836 工作面風(fēng)巷內(nèi)布置2 個(gè)測(cè)站（1#測(cè)站和2#測(cè)站，兩測(cè)站之間的間距為50 m）。對(duì)巷道兩幫和頂?shù)装宓囊苿?dòng)距離采用 “十字布點(diǎn)法”進(jìn)行觀察與記錄。如圖2。

圖2 十字布點(diǎn)法

由圖3、圖4 可知，1#測(cè)站和2#測(cè)站所觀測(cè)到的巷道位移變化規(guī)律大致相同，都呈現(xiàn)出先快速增大隨后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，在40 d 左右巷道兩幫及頂?shù)装遄冃嗡俾氏噍^于之前有所減少，巷道變形在60 d 左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。其中，頂板變形量在140 mm 左右，兩幫收斂量在90 mm 左右，圍巖整體變形量較小，巷道支護(hù)效果良好，可以滿足巷道安全使用要求。

圖3 1#測(cè)站巷道位移變形觀測(cè)結(jié)果

圖4 2#測(cè)站巷道位移變形觀測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

（1）深埋軟巖巷道工作面支護(hù)困難，其主要原因是由于工作面埋深較大，垂直應(yīng)力高，軟巖巷道圍巖自身強(qiáng)度低。

（2）采用36U 三心拱U 型棚支護(hù)配合鎖梁錨索、鎖腿錨索、注漿錨索支護(hù)，頂?shù)装遄冃瘟?40 mm左右，兩幫收斂量90 mm左右，巷道變形量較小，可以滿足巷道安全使用要求。