尉宏斌

（霍州煤電集團(tuán)豐峪煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

1 工程概況

紫晟煤業(yè)位于北益昌村南部，地表以丘陵耕地為主，無建筑物主要開采2#煤，煤層平均厚度為3.65m，為近水平煤層。2-1012回風(fēng)巷所處層位為二疊系下統(tǒng)山西組，2#煤層頂板為軟弱破碎頂板，主要為砂質(zhì)泥巖、局部炭質(zhì)泥巖偽頂，其特征是：深灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，有星散狀白云母及黃鐵礦；2#煤層底板主要為砂質(zhì)泥巖，其特征是：灰、深灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，有黃鐵礦星散。紫晟煤業(yè)2-1012回風(fēng)巷道的斷面形狀為矩形，斷面尺寸4700×3100mm，支護(hù)方式為錨桿+錨索。紫晟煤業(yè)2-1012回風(fēng)巷道的斷面形狀為矩形，斷面尺寸4700×3100mm，支護(hù)方式為錨桿+錨索。巷道頂板錨索間排距1300×1600mm，尺寸為Ф17.8mm×13500mm，并且每根錨索配4卷2550錨固劑；錨桿的間排距為800×800mm，每側(cè)巷幫布置3根錨桿，錨桿Ф20mm×2300mm，并且每根錨桿配2卷2550錨固劑原支護(hù)方案見圖1。礦方采用上述支護(hù)方案后，掘進(jìn)過程中巷道圍巖變形嚴(yán)重，影響到了巷道的正常使用。

圖1 回風(fēng)巷道原支護(hù)方案圖

2 圍巖破壞分析

2.1 2-1012巷道頂板離層量監(jiān)測(cè)

為了了解原支護(hù)體系下2-1012巷道頂板的離層情況，在回風(fēng)順槽內(nèi)距第一聯(lián)絡(luò)巷左側(cè)100m、距第一聯(lián)絡(luò)巷右側(cè)100m處的兩個(gè)斷面內(nèi)從巷道開挖初期進(jìn)行為期40天的頂板離層的監(jiān)測(cè)作業(yè)。本次選用GUD500型頂板離層儀進(jìn)行巷道頂板離層量的監(jiān)測(cè)作業(yè)，該離層儀操作簡(jiǎn)單、讀數(shù)方便并且技術(shù)較為先進(jìn)。兩個(gè)斷面的頂板離層量監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出：距第一聯(lián)絡(luò)巷右側(cè)100m處的斷面頂板深基點(diǎn)和淺基點(diǎn)的離層量分別為78mm和46mm；距第一聯(lián)絡(luò)巷左側(cè)100m處的斷面頂板深基點(diǎn)和淺基點(diǎn)的離層量分別為59mm和38mm。從巷道頂板離層量的變化趨勢(shì)來看，由于巷道開挖初期，圍巖應(yīng)力得到釋放，因此頂板淺基點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)部分膨脹及離層的現(xiàn)象，但是不會(huì)對(duì)深基點(diǎn)造成影響，后期隨著圍巖應(yīng)力的釋放，頂板離層量趨于穩(wěn)定。綜上，巷道開挖后必須及時(shí)進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，從而限制巷道開挖圍巖應(yīng)力釋放造成的圍巖膨脹及離層的現(xiàn)象。

圖2 2-1012巷道頂板離層量監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.2 離層監(jiān)測(cè)分析

從巷道頂板離層量的變化趨勢(shì)來看，在巷道掘進(jìn)初期，圍巖應(yīng)力得到釋放，但由于巷道淺處支護(hù)強(qiáng)度不足，造成頂板淺基點(diǎn)出現(xiàn)部分膨脹及離層的現(xiàn)象[1]；對(duì)深基點(diǎn)造成影響幾乎沒有，原支護(hù)方案的錨索雖然對(duì)巷道圍巖深處支護(hù)起到加強(qiáng)的作用，但可能會(huì)由于長(zhǎng)度過甚，而會(huì)造成不必要的資源的浪費(fèi)。后期隨著圍巖應(yīng)力的釋放，頂板離層量趨于穩(wěn)定。

綜上，在巷道開掘進(jìn)后必須對(duì)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，從而限制巷道因受掘進(jìn)的影響而造成的圍巖膨脹及離層的現(xiàn)象。

3 巷道支護(hù)優(yōu)化方案及實(shí)際效果

3.1 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過上述對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與分析，經(jīng)理論計(jì)算后，礦方?jīng)Q定在原支護(hù)方案下，通過增加鋼帶與金屬網(wǎng)來對(duì)巷道頂板進(jìn)行控制，其中鋼帶選擇長(zhǎng)為4200mm,寬為250mm，厚為3mm的鋼板，其破斷力約為300kN；錨索選擇Ф17.8×8000mm，在巷道中心處打一根錨索，同時(shí)在巷道兩頂角處，距中間錨索16000mm分別再打兩根錨索，偏角為8°，錨索排距選擇為1600mm，每根嗎錨索采用樹脂藥卷K2335一支，施加大于120kN的預(yù)緊力。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的2-1012回風(fēng)巷道支護(hù)斷面布置14根錨桿、3根錨索、W鋼帶和金屬網(wǎng)聯(lián)合布置，設(shè)計(jì)方案是在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，增加巷道兩幫支護(hù)強(qiáng)度，調(diào)整錨索支護(hù)角度，錨索預(yù)緊力在煤層巷道松動(dòng)破碎區(qū)范圍外形成自然平衡拱與圍巖作用共同維護(hù)巷道穩(wěn)定[2],優(yōu)化方案如圖3所示。具體優(yōu)化參數(shù)為：①頂板錨桿長(zhǎng)度由2300mm增加到2400mm;②兩幫錨桿支護(hù)密度由3根增加到4根，支護(hù)長(zhǎng)度由2000mm調(diào)整到2200mm；③錨索長(zhǎng)度由13.5m減小到8m，調(diào)整預(yù)緊力錨索支護(hù)角度；④W鋼帶提高巷道頂板整體穩(wěn)定性。

圖3 回風(fēng)巷道聯(lián)合支護(hù)方案圖

3.2 2-1012巷道支護(hù)效果數(shù)值模擬

為了分析優(yōu)化支護(hù)方案在工程中的應(yīng)用情況，以紫晟煤業(yè)2-1012巷道為研究對(duì)象，根據(jù)2-1012巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)，同時(shí)借鑒類似工況經(jīng)驗(yàn)，通過Flac3D軟件，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型建立紫晟煤業(yè)2-1012巷道支護(hù)模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，模型X方向施加水平應(yīng)力17.10MPa，模型Y方向施加水平應(yīng)力11.3MPa，模型垂直方向施加垂直應(yīng)力8.30MPa，對(duì)模型邊界施加位移約束條件，模擬過程中不平衡力＜1.0×10-5N時(shí)終止計(jì)算。所建模型尺寸為50m×30m×28m。

圖4 巷道支護(hù)垂直應(yīng)力分布圖

由圖4-a可以看出，原支護(hù)方案在巷幫2.2m范圍出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力最大達(dá)到了12.55MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.72，應(yīng)力集中區(qū)域已經(jīng)超出了兩幫錨桿支護(hù)范圍，巷幫受頂板垂直應(yīng)力影響較大；巷道頂板應(yīng)力值變化范圍為0.4MPa～5.1MPa，頂板應(yīng)力集中區(qū)域在頂板2.5米范圍，對(duì)頂板影響較弱。由圖4-b可以看出，優(yōu)化方案的兩幫1.8m范圍出現(xiàn)了垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力達(dá)到10.5MPa，應(yīng)力集中區(qū)域在兩幫錨桿支護(hù)范圍，兩幫巷道承載能力較原支護(hù)方案增強(qiáng)，同時(shí)在優(yōu)化后的頂板支護(hù)方案，使得兩幫的垂直應(yīng)力減弱，巷道整體穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖5 巷道支護(hù)塑性區(qū)分布圖

由圖5（a）可以看出，在原支護(hù)方案下，巷道的上頂角產(chǎn)生較大的塑性破壞區(qū)，最大深度達(dá)到2.1m，由于原方案沒有在該區(qū)域設(shè)置錨桿支護(hù)，使得在生產(chǎn)中，巷道頂角會(huì)成為安全隱患，需要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)措施。由圖5（b）可以看出，在優(yōu)化支護(hù)方案下，通過增加錨桿長(zhǎng)度與巷道頂角的支護(hù)，使得巷道頂板與兩幫的錨固體形成一個(gè)整體，增加了巷道整體穩(wěn)定性，巷道兩幫的塑性區(qū)深度約為1.8m，頂角的塑性區(qū)約為1.4m，較原支護(hù)方案減小了0.7m，優(yōu)化后的塑性破壞區(qū)，均處在錨索結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，支護(hù)方案最巷道圍巖進(jìn)行了有效的控制，經(jīng)過理論驗(yàn)證得出優(yōu)化方案滿足巷道圍巖穩(wěn)定性要求。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

得到優(yōu)化方案后，礦方?jīng)Q定在2-1012回風(fēng)巷道掘進(jìn)面后100m的試驗(yàn)段進(jìn)行優(yōu)化方案驗(yàn)證，并且在試驗(yàn)段每隔10m處斷面按裝多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)周期為15d，試驗(yàn)段所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理如圖6所示。

圖6 掘進(jìn)過程中巷道斷面圍巖變化

由圖6可知，巷道頂板下沉量隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸增大，最后穩(wěn)定在33.8mm，兩幫移近量隨時(shí)間逐漸增大，最后穩(wěn)定在9.44 mm。通過對(duì)試驗(yàn)段的跟蹤監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)段巷道頂板穩(wěn)定性良好，巷道頂板沒有出現(xiàn)任何裂縫，巷道兩幫也沒有片幫情況出現(xiàn)。說明在15天內(nèi)巷道頂板及兩幫一直處于不斷變形的階段，隨著時(shí)間的推移最終位移趨于穩(wěn)定[4]，圍巖變形將得到良好的控制。

綜上，在應(yīng)用優(yōu)化后的支護(hù)方案后，巷道兩幫及頂?shù)装宓淖冃尉刂圃谠试S范圍[5]，能夠滿足巷道通風(fēng)及行人的要求，雖然靠近工作面?zhèn)鹊南飵蜕罨c(diǎn)變形較大，但是整體性良好，因此2-1012巷道支護(hù)合理，在掘進(jìn)過程中能夠保證巷道正常安全的使用。

4 結(jié)語

紫晟煤業(yè)2-1012回風(fēng)巷道在掘進(jìn)過程中，發(fā)現(xiàn)在原支護(hù)方案下，巷道出現(xiàn)鼓出、破碎的現(xiàn)象，圍巖變形嚴(yán)重，通過現(xiàn)場(chǎng)分析，發(fā)現(xiàn)圍巖破壞的主要原因是由于受掘進(jìn)影響，圍巖應(yīng)力得到釋放，使巷道應(yīng)力強(qiáng)度大于巖石強(qiáng)度，圍巖承受圍巖力而產(chǎn)生破壞。所以通過錨桿支護(hù)配合W鋼帶和金屬網(wǎng)進(jìn)行巷道頂板控制，并且在巷道頂角處補(bǔ)加錨索，加強(qiáng)對(duì)巷道頂板圍巖的控制。經(jīng)過數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)該支護(hù)體系能夠保證2-1012回風(fēng)巷道正常使用。