基于圍巖穩(wěn)定性分析的巷道支護工程實踐

張曉東

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

0 引 言

井工開采是我國煤炭資源的主要采出方式，井下開采時的巷道布置是一切采掘活動的基礎(chǔ)，據(jù)統(tǒng)計，我國年均掘進、維護井下巷道長度近10000km，且隨著采深的增加，巷道支護難度愈發(fā)增大。巷道穩(wěn)定暢通是煤礦井下開采的重要前提，而巷道支護的本質(zhì)在于控制圍巖穩(wěn)定性，在實際的生產(chǎn)實踐中，巷道支護設(shè)計大多采用工程類比法或經(jīng)驗法來完成，隨著巷道圍巖復(fù)雜程度的增加，工程類比法及經(jīng)驗法已不能滿足錯綜復(fù)雜的圍巖控制要求。

本文以山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦為工程背景，在圍巖穩(wěn)定性分類的基礎(chǔ)上，對23114工作面運輸巷圍巖地質(zhì)條件及生產(chǎn)現(xiàn)狀進行分析，得到穩(wěn)定性的主要控制因素，參照分類結(jié)果完成支護參數(shù)的設(shè)計及支護效果考察。

1 工程地質(zhì)概況

山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦為1500萬t/a的現(xiàn)代化礦井，井田范圍內(nèi)含有全區(qū)或局部可采煤層7層，從上到下依次為山西組的4#、5#、6#、8# 煤層和太原組的 10#、12#、13# 煤層。

目前主要開采煤層為8#煤和13#煤層：8#煤層厚度為3.95～8.04m，平均厚度6.25m，煤層傾角6.5°～11.0°，平均9.0°，屬于厚煤層，巷道以煤巷為主，煤巖巷為輔；13#煤層厚度14.90～15.34m，平均厚度15.19m，屬于特厚煤層，巷道多布置在煤層中。13#煤層厚度介于5.95～16.68m，平均厚度13.88m，屬于特厚煤層，采用綜采放頂煤工藝，順槽沿底掘送，為大斷面托厚頂煤全煤巷道，支護難度較大。根據(jù)現(xiàn)場采掘接替實際，在完成圍巖穩(wěn)定性分類分析后，以21采區(qū)23114軌道巷為試驗巷道完成支護參數(shù)設(shè)計及支護效果考察，為后期巷道支護提供參數(shù)依據(jù)。

2 圍巖穩(wěn)定性分類

巷道圍巖穩(wěn)定性的影響因素多且復(fù)雜，很難用明確的數(shù)值或界限來描述這種現(xiàn)象，由此可知，其失穩(wěn)是一種模糊現(xiàn)象。聚類分析是多元分析方法的一種，也是近年來發(fā)展較快的一種數(shù)學(xué)方法，采用模糊聚類的方法可有效的對原本模糊的巷道圍巖穩(wěn)定性進行聚類分析，形成明確的以參數(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)分類。

2.1 巷道穩(wěn)定性影響因素

2.1.1 圍巖強度

1）巖體強度。巷道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，局部的應(yīng)力集中會導(dǎo)致圍巖的塑性變形，巖體強度在抵抗塑性變形中起決定性因素。

2）圍巖完整性。圍巖完整性直接決定圍巖強度，按結(jié)構(gòu)分為整體、塊狀、層狀、碎裂、松散五種結(jié)構(gòu)狀態(tài)，從前往后圍巖穩(wěn)定性依次降低。

3）工程地質(zhì)條件。井下地質(zhì)條件復(fù)雜，水體、褶皺、斷層等的存在使巷道圍巖受擠壓而形成破碎帶，大大降低了圍巖穩(wěn)定性。

2.1.2 圍巖應(yīng)力

1）原巖應(yīng)力。巷道上覆巖層的重量形成的自重應(yīng)力場及巷道周圍地質(zhì)構(gòu)造引起的構(gòu)造應(yīng)力場是巷道的兩個主要作用力，巷道埋深越大自重應(yīng)力越大，構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜程度越高，兩者綜合影響著圍巖水平應(yīng)力，數(shù)值越大，支護難度越高。

2）構(gòu)造應(yīng)力。褶曲、斷層等形成了拉應(yīng)力或剪應(yīng)力集中，巷道開挖形成了局部應(yīng)力釋放，表現(xiàn)為圍巖水平應(yīng)力集中，可以造成冒頂、底鼓、兩幫移近量明顯等狀況。

3）工程應(yīng)力。巷道開挖及工作面回采動壓使得巷道圍巖形成了應(yīng)力升高區(qū)和降低區(qū)，當(dāng)巷道進入動壓影響區(qū)域時，巷道維護難度增大。

2.2 模糊綜合評判

綜合以上分析，巷道圍巖穩(wěn)定性受煤巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)、應(yīng)力分布、工程活動等多因素同時影響，結(jié)合斜溝礦生產(chǎn)實際，選取采深H、直接頂厚度與采高的比值N（采動影響系數(shù)）、直接頂初次垮落步距L、頂板強度σt、底板圍巖強度σb、巷幫圍巖強度σc等5個指標(biāo)作為主要評判因素。

通過模糊化綜合評判，得出圍巖穩(wěn)定性分類指標(biāo)參考值見表1。

表1 區(qū)段巷道圍巖穩(wěn)定性分類指標(biāo)聚類參考值

Ⅰ～Ⅴ類分別代表穩(wěn)定、較穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、較不穩(wěn)定、極不穩(wěn)定，針對以上四種分類，給出基礎(chǔ)支護參數(shù)，見表2。

表2 不同圍巖穩(wěn)定性分類情況下基礎(chǔ)支護參數(shù)

3 現(xiàn)場應(yīng)用

13#煤平均厚度13.88m，屬特厚煤層，23114軌道巷沿底掘送，為大斷面托厚頂煤全煤巷道，支護難度較大。根據(jù)頂?shù)装宓刭|(zhì)力學(xué)性質(zhì)，判定為Ⅴ極不穩(wěn)定巷道，支護參數(shù)以表2為基礎(chǔ)進行優(yōu)化設(shè)定。根據(jù)生產(chǎn)實際，采用錨網(wǎng)索加鋼帶聯(lián)合支護，具體支護參數(shù)見表3，具體支護方案見圖1。

圖123114 軌道巷支護方案設(shè)計圖

表3 23114軌道巷支護參數(shù)設(shè)計

注：工作面幫采用玻璃纖維錨桿，保護煤柱幫采用高強度鋼錨桿，兩者尾部均采用規(guī)格為600mm×180mm×70mm的木托板。

4 支護效果考察

支護效果考察采用十字布點法進行，通過巷道表面位移、深部基點位移觀測完成效果考察。

1）巷道表面位移觀測。在滯后掘進工作面10m的位置設(shè)置巷道表面位移觀測點，通過觀測，23114軌道巷兩幫頂?shù)滓平颗c兩幫移近量變化數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 23114軌道巷變形與掘進時間關(guān)系圖

兩幫累計移近量在90mm以內(nèi)，頂?shù)装逡平窟_(dá)到70mm。

2）深部基點位移觀測。在距工作面50m位置布置測站，兩幫分別為H1測點、H2測點，回采期間進行觀測，結(jié)果如圖3所示。當(dāng)距離掘進工作面約90m時，各基點位移慢慢趨于平穩(wěn)，100m時深基點位移基本穩(wěn)定。各基點總體位移量在200～300mm以內(nèi)，多數(shù)基點位移曲線類似，可見圍巖在支護作用下表現(xiàn)出整體性，支護實踐效果良好。

圖323114 軌道巷深基點位移曲線圖

5 結(jié) 語

1）巷道圍巖穩(wěn)定性分類其實是一種模糊歸類方法，在眾多不確定的影響因素中選取重點因素，通過聚類的方式形成判定參數(shù)，從而完成對不同穩(wěn)定性的巷道的分類支護。

2）巷道圍巖穩(wěn)定性受煤巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)、應(yīng)力分布、工程活動等多因素同時影響，從實踐結(jié)果來看，選取采深H、直接頂厚度與采高的比值N（采動影響系數(shù)）、直接頂初次垮落步距L、頂板強度σt、底板圍巖強度σb、巷幫圍巖強度σc等5個指標(biāo)作為主要評判因素是合理的。

3）兩幫累計移近量在90mm以內(nèi)，頂?shù)装逡平孔畲?0mm，深基點位移在200～300mm以內(nèi)，對于特厚煤層全煤巷道支護來說，實踐取得了良好效果，基于圍巖穩(wěn)定性分類的巷道支護設(shè)計可行。