特厚煤層軟巖大斷面煤巷支護技術研究及應用

封文茂

（晉能控股集團晉城煤炭事業(yè)部晉煤太鋼有限責任公司，山西 呂梁 033200）

1 工程概況

山西晉煤太鋼一號井為新建礦井，回風立井一號回風大巷位于4+5#煤一采區(qū)，采用半圓拱斷面，全巖或半煤巖巷道，掘進工藝為炮掘，炮掘段全長134.3 m，分三段掘進，開口位置位于一號回風立井馬頭門南側(cè)，設計方位：第一段方位為196°33′12″，掘進10.75 m（從馬頭門起）；第二段接第一段掘曲線巷道（右轉(zhuǎn)），共57.124 m；第三段接第二段，按方位16°33′12″掘66.4 m 拱形斷面段結(jié)束。巷道整體位于1 號回風立井西側(cè)，四周均為未開采的實體煤，炮掘開口處標高為+640 m，巷道位于4+5#煤層中，煤層埋深300 m，平均厚度為4.85 m（最小4 m，最大6 m），含一層0.5 m 夾矸。直接頂為6 m砂質(zhì)泥巖，中上部較堅硬；基本頂為7.1 m 厚的粉砂巖，較堅硬；直接底為1.6 m 泥巖。

2 一號回風大巷初掘礦壓特征

一號回風大巷原有支護斷面如圖1（a）所示。巷道斷面為直墻拱形，掘進巷寬4.8 m，高3.1 m，采用U 型鋼金屬支架+噴漿支護，金屬支架排距600 mm，巷道頂幫表面噴漿厚度100 mm，支護后巷道凈寬4.6 m，凈高2.9 m。巷道支護完成后，在距開口30 m 處布置測站，整理得到成巷85 d 內(nèi)巷道頂?shù)装濉蓭拖鄬σ平康淖兓?guī)律如圖1（b）所示。成巷30 d 后，兩幫相對移近量穩(wěn)定在20 cm，而頂?shù)装逑鄬σ平砍手本€型上升；成巷85 d后，頂?shù)装逡平窟_到121 cm，巷道表面變形劇烈且迅速。結(jié)合現(xiàn)場實地調(diào)研情況，一號回風大巷破壞特征主要表現(xiàn)為：底板底鼓量較大，數(shù)個支架肩部搭接處斷裂，頂板下沉明顯，頂板及兩幫圍巖破碎嚴重。采用U 型鋼金屬支架+噴漿支護方式無法有效控制巷道圍巖的變形破壞，需采取更為有效的圍巖控制方案。

圖1 一號回風大巷原有支護及變形特征

3 一號回風大巷支護方案設計

黃慶享教授提出極限自穩(wěn)平衡圈理論指出[1-2]，支護結(jié)構(gòu)可提高巷道極限平衡圈內(nèi)潛在危險巖體的穩(wěn)定性，巷道圍巖形成自然冒落拱、自穩(wěn)平衡拱、極限平衡拱如圖2（a）所示。頂板圍巖在無支護條件下，自然垮落后將形成一個拱狀結(jié)構(gòu)，因此巷道斷層設計為直墻拱形較合理。極限平衡拱內(nèi)的圍巖，通過合理長度的錨桿、錨索錨固到極限平衡圈外的穩(wěn)定巖層，可有效控制頂幫潛在危險巖體的失穩(wěn)破壞。在兩幫垂直應力作用下，巷道底板巖層向上起拱，導致底板底鼓變形，故設計反底拱，可有效抑制底板底鼓破壞。綜上所述，設計一號回風大巷支護模型如圖2（b）所示。

圖2 一號回風大巷極限自穩(wěn)平衡圈及支護模型

依據(jù)極限平衡圈理論，巷道底板巖層塑性破壞深度：

一號回風大巷巷道寬度W0為4.8 m，高度3.1 m，頂板砂質(zhì)泥巖巖層內(nèi)摩擦角φ為34°，抗壓強度σt=1.83 MPa，巷幫直墻高度hw=1.6 m，埋深300 m，上覆巖層平均容重25 kN/m，原巖應力P0=7.5 MPa。計算得到y(tǒng)=3.58 m，L=1.93 m。巷道幫部圍巖塑性破壞后，等效巷道寬度增加量L1取巷幫塑性破壞深度的0.25 倍，計算可得極限平衡拱高度為3.79 m。考慮頂板錨索錨固長度約為1.5～1.9 m，設計兩幫及頂板錨桿長度2.4 m，頂板錨索長度6.0 m。由于底板塑性破壞深度較大，設計采用注漿加固技術。

4 一號回風大巷支護方案模擬研究

為驗證一號回風大巷采用錨網(wǎng)索+反底拱+底板注漿聯(lián)合支護技術的可行性，采用FLAC3D有限元數(shù)值模擬軟件進行研究[3-4]，以距開口25 m 的斷面圍巖為模型建立背景，模擬巷道埋深300 m，采用半圓拱形斷面，巷道寬4.8 m，高3.1 m。模擬結(jié)果如圖3。

根據(jù)圖3（a）、（b）可以看出，原有支護條件下，巷道底板嚴重底鼓變形，巷道底板中部底鼓量最大，達到654 mm，頂板最大下沉量達450 mm；聯(lián)合支護方案條件下，底板底鼓量最大為80 mm，頂板最大下沉量為145 mm。優(yōu)化支護方案條件下，底板底鼓量減小87.7%，頂板下沉量減小67.8%，巷道表面位移量顯著減小。根據(jù)圖3（c）、（d）所示巷道圍巖塑性區(qū)分布圖可以看出，原有支護條件下，巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r均出現(xiàn)大面積的塑性破壞；優(yōu)化支護方案條件下，僅巷道表面淺部圍巖出現(xiàn)塑性破壞，圍巖穩(wěn)定性良好。綜上所述，采用錨網(wǎng)索+反底拱+底板注漿聯(lián)合支護技術可有效控制圍巖的塑性破壞，巷道表面變形位移量在合理可控范圍內(nèi)。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果

5 一號回風大巷支護及應用效果分析

5.1 一號回風大巷支護

結(jié)合分析計算及數(shù)值模擬分析結(jié)果，確定一號回風大巷支護方案：巷道寬度增加到5.0 m，預留煤幫內(nèi)移量，直墻高度1.6 m，拱高為1.4 m，預留頂板下沉空間，反底拱施工深度600 mm。頂板采用6 m 長錨索，兩幫采用4.0 m 長錨索，規(guī)格Ф18.9 mm，間排距1.0 m×1.2 m；頂板和兩幫錨桿規(guī)格Ф20 mm×2400 mm，間距0.5 m，排距0.6 m；底板采用1.5 m 長的注漿錨桿進行加固，間距0.8 m，排距0.6 m，注漿孔直徑42 mm，注漿錨桿直徑25 mm，長度1.5 m，采用42.5 級水泥配水玻璃單液注漿材料。巷道全斷面采用8#鐵絲菱形金屬網(wǎng)，全斷面噴射100 mm 的C15 細石混凝土。支護斷面如圖4。

圖4 一號回風大巷支護斷面（mm）

5.2 支護效果分析

一號回風大巷采用上述支護方案掘進期間，監(jiān)測巷道表面位移情況，得到圖5 所示監(jiān)測結(jié)果。成巷約50 d 后，頂板下沉量穩(wěn)定在61 mm；成巷約70 d 后，底板底鼓量穩(wěn)定在83 mm；成巷約65 d 后，兩幫移近量穩(wěn)定在129 mm。巷道表面變形量較小，能夠滿足正常使用斷面要求，且巷道圍巖整體穩(wěn)定。由此說明，錨網(wǎng)索+反底拱+底板注漿聯(lián)合支護可有效控制一號回風大巷的失穩(wěn)破壞，保障巷道的長期穩(wěn)定。

圖5 礦壓監(jiān)測結(jié)果

6 結(jié)論

通過對一號回風大巷初掘期間實地調(diào)研及礦壓特征監(jiān)測結(jié)果分析表明，采用U 型鋼架支護不能有效控制圍巖失穩(wěn)破壞，采用極限自穩(wěn)平衡圈理論對其支護方案進行優(yōu)化，采用FLAC3D軟件模擬分析優(yōu)化支護方案的支護效果。巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果表明，頂板下沉量穩(wěn)定在61 mm，底板底鼓量穩(wěn)定在83 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在129 mm，圍巖穩(wěn)定性良好，為巷道的長期安全使用提供了有力支撐。