郝 權(quán)

(山西長治羊頭嶺北峙峪煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000)

1 工程概況

山西長治羊頭嶺北峙峪煤業(yè)有限公司15號煤層一采區(qū)膠帶巷，主要作為15號煤層一采區(qū)的煤炭運(yùn)輸、行人使用，巷道沿15號煤層底板掘進(jìn)，煤層均厚4.21 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～3層不穩(wěn)定夾矸，夾矸均厚為0.26 m。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚2.0 m，基本頂為中砂巖，均厚11.5 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，均厚0.6 m，基本底為細(xì)砂巖，均厚4.67 m。

15號煤層一采區(qū)膠帶巷斷面形狀為半圓拱形，巷道毛斷面寬為5 700 mm，高為4 500 mm，巷道所處層位巖層節(jié)理裂隙較為發(fā)育，圍巖較為松軟，巷道原有的掘進(jìn)方式為全斷面一次掘進(jìn)，支護(hù)方式為錨網(wǎng)索支護(hù)。錨桿采用D20 mm×2 200 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×900 mm，底角錨桿與水平方向成30°夾角，全斷面每排布置13根；頂板打設(shè)1根錨索，錨索采用D17.8 mm×6 000 mm的1×7股鋼絞線，錨索排距為1 800 mm。在掘進(jìn)過程中，巷道圍巖變形量大，且易出現(xiàn)頂板冒頂、左右拱肩易鼓出的情況，急需對現(xiàn)有的掘進(jìn)工藝及支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

2 巷道開挖掘進(jìn)方式優(yōu)化

巷道開挖后，巷道圍巖會大致經(jīng)歷加速變形、恒速變形及減速變形三個(gè)階段，故在對巷道進(jìn)行支護(hù)時(shí)需選擇最佳的支護(hù)時(shí)間以便能夠最大限度地調(diào)動(dòng)圍巖的自我承載能力，進(jìn)而有效控制住巷道圍巖的變形，如果對巷道進(jìn)行分步開挖，即在掘進(jìn)時(shí)，分兩步進(jìn)行，先進(jìn)行巷道上半部分的開挖支護(hù)作業(yè)，隨后再進(jìn)行下半部分的開挖支護(hù)作業(yè)，則能夠及時(shí)對巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)，進(jìn)而能在一定程度上控制圍巖的變形[1-2]。

為研究巷道分步開挖、支護(hù)作業(yè)對巷道圍巖變形量的控制作用，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)15號煤層一采區(qū)膠帶巷的具體地質(zhì)條件，建立數(shù)值模擬模型，模型長×寬×高=36 m×27 m×40 m，巷道沿著長度方向進(jìn)行掘進(jìn)，將模型左右邊界進(jìn)行固定，分別模擬巷道采用全斷面一次開挖和分步開挖作業(yè)時(shí)巷道圍巖位移及塑性區(qū)分布狀態(tài)。

2.1 巷道圍巖位移分布

由數(shù)值模擬得出巷道在一次開挖作業(yè)和分步開挖作業(yè)時(shí)的圍巖頂板位移隨巷道掘進(jìn)的變化曲線，如圖1所示。

圖1 不同開挖方式下巷道頂板位移曲線

由圖1可知，巷道采用全斷面一次開挖作業(yè)時(shí)頂板的變形量大于采用分步開挖作業(yè)時(shí)的頂板變形量，在巷道掘進(jìn)36 m時(shí)，此時(shí)采用全斷面一次開挖作業(yè)的頂板下沉量為28.4 mm，采用分步開挖作業(yè)的頂板下沉量為16.6 mm，巷道在采用一次全斷面掘進(jìn)和分步掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，巷道頂板的下沉量均在巷道掘進(jìn)0～16 m的范圍內(nèi)，圍巖變形的增長速率較快，在巷道掘進(jìn)16 m后，圍巖變形速率逐漸減小，根據(jù)圖1能夠看出對于大斷面松軟圍巖巷道采用分步開挖的掘進(jìn)方式能夠有利于控制頂板巖層的變形。

根據(jù)模擬結(jié)果得出巷道采用兩種掘進(jìn)方式，在掘進(jìn)至36 m，圍巖變形穩(wěn)定時(shí)，巷道表面位移的具體情況，如表1所示。

表1 巷道在掘進(jìn)36m時(shí)圍巖變形量

通過表1能夠看出，巷道采用全斷面一次開挖作業(yè)時(shí)頂板下沉量比采用分步開挖作業(yè)時(shí)增大了11.8 mm，占到了分步開挖作業(yè)頂板下沉量的71.1%，采用全斷面一次開挖作業(yè)時(shí)巷道左幫及右?guī)妥冃瘟糠謩e比采用分步開挖作業(yè)時(shí)增大了39.6%和49.6%，故基于此可知大斷面松軟圍巖巷道采用分步開挖進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)更能夠有效控制巷道圍巖變形。

2.2 巷道圍巖塑性區(qū)分布

由數(shù)值模擬得出15號煤層一采區(qū)膠帶巷在采用分步開挖與全斷面一次開挖時(shí)圍巖塑性區(qū)的分布狀態(tài)如圖2所示。

圖2 不同開挖方式下巷道圍巖塑性區(qū)分布

由圖2可知，巷道采用全斷面一次開挖時(shí)，巷道頂板塑性區(qū)發(fā)育至頂板3.7 m的深度，圍巖主要以剪切和拉斷破壞為主，巷道頂板及兩幫圍巖松動(dòng)破壞存在著狀態(tài)及形態(tài)方面的差異，在全斷面一次開挖作業(yè)下底板巖層的塑性區(qū)呈現(xiàn)出矩形形態(tài)向底板深部巖層深處發(fā)育；在分步開挖作業(yè)下，頂板塑性區(qū)的發(fā)育深度為2.5 m，兩幫塑性區(qū)的發(fā)育寬度為1.125 m，底板巖層呈現(xiàn)出倒梯形形態(tài)向底板深部巖層發(fā)育，表明采用分步開挖作業(yè)時(shí)圍巖塑性區(qū)的破壞范圍向巖層深部逐漸減小，且發(fā)育范圍明顯比全斷面開挖時(shí)小。故巷道掘進(jìn)采用分步開挖作業(yè)更能有效控制圍巖變形。

3 支護(hù)方案

3.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)15號煤層一采區(qū)膠帶巷的具體地質(zhì)條件，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，確定巷道在后續(xù)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)采用分步開挖，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對巷道的支護(hù)方案進(jìn)行具體優(yōu)化，主要優(yōu)化參數(shù)為錨桿(索)長度和間排距。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)如下：

1) 錨桿(索)長度優(yōu)化。為有效確定錨桿(索)的長度，需充分了解巷道開挖后，圍巖塑性區(qū)的范圍，根據(jù)彈塑性理論可知圍巖塑性區(qū)計(jì)算如下[3-4]：

(1)

式中：Rp為極限平衡區(qū)的半徑，m；p0為原巖應(yīng)力的大小，取為17.25 MPa；φ為巖體的內(nèi)摩擦角，取為30.5°；Lp為塑性區(qū)的寬度，m；M為巷道開挖尺寸的一半，取為2.7 m，c為巖體的粘結(jié)力，取為2.0 MPa。

將數(shù)據(jù)代入式(1)計(jì)算得出極限平衡區(qū)半徑Rp=4.6 m，巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)育寬度Lp=1.9 m，數(shù)值模擬結(jié)果顯示出頂板塑性區(qū)的發(fā)育深度為2.5 m，兩幫塑性區(qū)的發(fā)育寬度為1.125 m，基于保障巷道圍巖穩(wěn)定及安全的角度綜合考慮，確定出巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)育寬度采用1.9 m。

基于上述圍巖塑性區(qū)范圍的分析結(jié)果，結(jié)合巷道在原有支護(hù)方案下巷道易冒頂?shù)木唧w情況，確定巷道錨桿采用型號為D20 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨索采用型號為D20 mm×6 300 mm的1×7股鋼絞線。

2) 錨桿(索)間排距優(yōu)化。新奧法理論對松軟破碎圍巖的支護(hù)問題，提出錨桿間排距宜為0.8～1.0 m，對于不穩(wěn)定圍巖，結(jié)合長治礦區(qū)的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)間排距為0.6～1.0 m，基于此并結(jié)合15號煤層一采區(qū)膠帶巷的具體情況，確定錨桿間排距為800 mm×800 mm，錨索間排距為2 000 mm×1 600 mm。

綜合上述分析，15號煤層一采區(qū)膠帶巷采用分步開挖的方式進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)為：巷道頂板及兩幫錨桿采用D20 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，頂板錨索采用D20 mm×6 300 mm的1×7股鋼絞線，間排距為2 000 mm×1 600 mm，巷道全斷面內(nèi)每排布置15根錨桿、3根錨索，錨索在巷道頂板中心及兩拱肩位置處打設(shè)安裝，同時(shí)采用D6 mm圓鋼焊制成網(wǎng)片進(jìn)行護(hù)幫護(hù)頂，網(wǎng)片規(guī)格為50 mm×50 mm，具體優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)如圖3所示。

圖3 15號煤層一采區(qū)膠帶巷優(yōu)化后支護(hù)斷面

3.2 效果分析

為了檢驗(yàn)巷道在采用優(yōu)化后的掘進(jìn)工藝及支護(hù)效果，通過在巷道滯后掘進(jìn)工作面10 m的位置處布置礦壓監(jiān)測站，在巷道表面安設(shè)KDC-10測槍用以觀測巷道表面位移，對巷道圍巖變形量進(jìn)行持續(xù)27 d的觀測，根據(jù)觀測結(jié)果得出巷道圍巖變形量-時(shí)間的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 15號煤層一采區(qū)膠帶巷圍巖變形曲線

由圖4可知，15號煤層一采區(qū)膠帶巷在采用優(yōu)化后的掘進(jìn)工藝及支護(hù)方案后，巷道圍巖的變形量主要集中在掘巷初期，在掘巷1～11 d的范圍內(nèi)，巷道頂板下沉量為12.5 mm，兩幫移近量為29.5 mm，巷道左右肩窩的下沉量分別為13.5 mm和14 mm，在巷道掘進(jìn)13 d后，圍巖的變形量逐漸趨于穩(wěn)定，基本不再出現(xiàn)增大，最終巷道頂板下沉量為17 mm，兩幫移近量為37mm，巷道左右肩窩的下沉量為15 mm，拱幫的移近量為30 mm。由此得出，15號煤層一采區(qū)膠帶巷在采用優(yōu)化后的掘進(jìn)工藝及支護(hù)方案后保證了巷道圍巖的穩(wěn)定，有效控制了圍巖的變形。

4 結(jié) 語

通過數(shù)值模擬分析巷道采用全斷面一次開挖和分步開挖作業(yè)時(shí)圍巖位移及塑性區(qū)的分布狀態(tài)，確定巷道采用分步開挖進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果對支護(hù)方案進(jìn)行了具體優(yōu)化，礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，優(yōu)化后的支護(hù)方案能夠有效控制巷道圍巖的變形，保障巷道圍巖的穩(wěn)定。