大斷面復(fù)合頂板硐室圍巖穩(wěn)定性規(guī)律及支護(hù)對(duì)策

謝永存，鄒 虎

（潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 李村煤礦，山西 長(zhǎng)治046000）

近年來(lái)，我國(guó)煤礦采掘設(shè)備機(jī)械化水平不斷提高，整裝設(shè)備趨于大型化、自動(dòng)化和智能化，促使煤礦采掘工作面單產(chǎn)能力急劇提升[1-2]。為適應(yīng)大型采掘設(shè)備的運(yùn)輸、安裝和正常運(yùn)行，以采煤工作面回采平巷為代表的巷道或硐室斷面也迅速增大[1,3]。同時(shí)，煤層賦存條件也出現(xiàn)顯著差異，尤其是中深部開采條件下，存在多層軟弱夾層的復(fù)合頂板巷道比重逐漸加大。與常規(guī)尺寸巷道比較，大斷面復(fù)合頂板巷道或硐室具有跨度大、采掘擾動(dòng)范圍廣、頂板離層及彎曲下沉嚴(yán)重等穩(wěn)定性特點(diǎn)，其圍巖控制效果普遍較差[4-7]。為此，諸多專家學(xué)者圍繞大斷面復(fù)合頂板巷道或硐室的支護(hù)理論與技術(shù)，剖析復(fù)合頂板大斷面巷道失穩(wěn)破壞特征，研究軟弱夾層分布位置和厚度等因素對(duì)巷道圍巖變形的影響，提出以高強(qiáng)度錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)、支護(hù)構(gòu)件協(xié)同支護(hù)技術(shù)等新型支護(hù)方式，以及相應(yīng)的施工工藝方法[1,5,8-15]?；仡櫽嘘P(guān)大斷面復(fù)合頂板巷道或硐室的研究成果可知，多是圍繞軟弱夾層分布特征對(duì)巷道圍巖變形的影響展開研究，基本形成了以高強(qiáng)度錨網(wǎng)索為核心的支護(hù)技術(shù)，然而對(duì)大斷面復(fù)合頂板巷道形成后，在其巷幫二次開挖大斷面硐室后的圍巖穩(wěn)定性研究較少。因此，針對(duì)潞安集團(tuán)李村煤礦2302工作面回風(fēng)平巷大斷面鉆場(chǎng)的圍巖條件，研究大斷面復(fù)合頂板巷道掘進(jìn)過(guò)程中的圍巖應(yīng)力和變形規(guī)律，分析巷道幫部開挖鉆場(chǎng)后形成的大斷面復(fù)合頂板空間圍巖的穩(wěn)定性演化特征，揭示二次擾動(dòng)后大斷面復(fù)合頂板硐室圍巖穩(wěn)定性劣化規(guī)律。

1 大斷面復(fù)合頂板硐室基本條件

1.1 2302工作面回風(fēng)平巷基本條件

潞安集團(tuán)李村煤礦絕對(duì)瓦斯涌出量為264.84 m3/min，為高瓦斯礦井，其主采3#煤層。2302工作面回風(fēng)平巷平面布置如圖1，2302工作面回風(fēng)巷是本工作面回采、通風(fēng)、行人和運(yùn)輸主要通道。該巷道沿3#煤層頂板掘進(jìn)，開口位于二采區(qū)1#聯(lián)絡(luò)巷77.7 m位置，北鄰二采區(qū)1#聯(lián)絡(luò)巷，西鄰2302工作面進(jìn)風(fēng)巷，東鄰2303工作面回風(fēng)巷，其周邊均為未采區(qū)。采用EBZ230型綜掘機(jī)掘進(jìn)作業(yè)。2302工作面回風(fēng)巷設(shè)計(jì)斷面為矩形，掘進(jìn)斷面為25.2 m3，掘進(jìn)寬度為6 000 mm，掘進(jìn)高度4 200 mm。3#煤層以亮煤為主，呈塊狀，其厚度為4.2～5.8 m，平均4.5 m，煤層直接頂為泥巖和粉砂巖互層，基本頂為粉砂巖和細(xì)砂巖為主，直接底為泥巖和砂質(zhì)泥巖，基本底為細(xì)砂巖。

圖1 2302工作面回風(fēng)平巷平面布置圖

1.2 2302工作面回風(fēng)平巷鉆場(chǎng)基本條件

根據(jù)李村煤礦瓦斯涌出量測(cè)定結(jié)果可知，該礦為高瓦斯礦井，工作面回采之前必須配套鉆場(chǎng)及瓦斯抽放系統(tǒng)。2302工作面鉆場(chǎng)布置如圖2，2302工作面回風(fēng)平巷瓦斯抽放孔設(shè)置于專用鉆場(chǎng)內(nèi)。相鄰鉆場(chǎng)距離為60 m，單個(gè)鉆場(chǎng)斷面為不規(guī)則梯形，即鉆場(chǎng)開口位置斷面寬度為8.5 m、高度為4.2 m（與2302工作面回風(fēng)平巷高度一致），內(nèi)部邊界寬度為3.3 m、高度為4.2 m，鉆場(chǎng)深度為4.5 m。其施工方式為滯后巷道掘進(jìn)工作面施工，即滯后2302工作面回風(fēng)平巷掘進(jìn)工作面2～5 m范圍內(nèi)分層開掘成形。

圖2 2302工作面鉆場(chǎng)布置圖

由2302工作面回風(fēng)平巷和鉆場(chǎng)空間位置關(guān)系和施工工藝可知，鉆場(chǎng)施工開始時(shí)，其圍巖仍處于2302工作面回風(fēng)平巷掘進(jìn)影響期內(nèi)，不僅開掘鉆場(chǎng)的二次擾動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響巷道圍巖穩(wěn)定性特征，同時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力重分布過(guò)程也會(huì)對(duì)鉆場(chǎng)圍巖穩(wěn)定過(guò)程產(chǎn)生顯著影響。此外，在鉆場(chǎng)掘進(jìn)形成后，鉆場(chǎng)與巷道連接，形成跨度達(dá)到10 m以上的大斷面空間,大斷面空間尺寸如圖3，在上覆復(fù)合頂板條件下，大斷面空間的穩(wěn)定性易于劣化，成為典型的大斷面復(fù)合頂板硐室，亟需對(duì)其穩(wěn)定性特征進(jìn)行深入分析。

圖3 大斷面空間尺寸圖

2 大斷面復(fù)合頂板硐室圍巖穩(wěn)定性特征

為了準(zhǔn)確反映2302工作面回風(fēng)平巷穩(wěn)定性特征，以及鉆場(chǎng)開挖對(duì)回風(fēng)平巷的穩(wěn)定性影響規(guī)律，建立長(zhǎng)寬高均為50 m的三維數(shù)值分析模型（圖4），其中，模型左右、前后4個(gè)邊界設(shè)置為固定速度邊界條件，底部邊界為固定位移邊界條件，頂部為應(yīng)力邊界條件，即施加12.5 MPa的均布載荷模擬上覆500 m巖層自重。

2.1 回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中巷道圍巖穩(wěn)定性特征

圖4 硐室模型圖

2302工作面回風(fēng)平巷掘進(jìn)后，其圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力分布規(guī)律如圖5。巷道圍巖應(yīng)力擾動(dòng)范圍達(dá)到8 m以上，其中頂板圍巖應(yīng)力降低范圍達(dá)到13 m左右，而兩幫應(yīng)力降低范圍為8 m左右，并在距離巷幫圍巖表面10 m位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)為1.1。此外，隨著巷道圍巖穩(wěn)定時(shí)間逐漸增加，巷道圍巖應(yīng)力降低范圍不斷增大，但其變化速率逐漸減小。在圍巖應(yīng)力重分布過(guò)程中，巷道圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，回風(fēng)平巷圍巖變形規(guī)律如圖6。其中，由于頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖互層的復(fù)合頂板，其頂板中間位置彎曲下沉量達(dá)到140 mm以上，并在不同巖層接觸區(qū)域產(chǎn)生離層現(xiàn)象，離層量達(dá)到10～20 mm。同時(shí)，在兩幫煤體中產(chǎn)生顯著變形，幫中為強(qiáng)烈變形位置，變形量達(dá)到270 mm，并隨著與巷道表面距離的增加，圍巖變形量逐漸減小，最終在距離巷道表面3.7 m位置，圍巖變形量減小至50 mm左右。巷道底板圍巖與頂幫圍巖變形相比普遍較小。

圖5 回風(fēng)平巷圍巖最大主應(yīng)力分布規(guī)律

2.2 鉆場(chǎng)開挖過(guò)程中硐室穩(wěn)定性特征

圖6 回風(fēng)平巷圍巖變形規(guī)律

待2302工作面回風(fēng)平巷掘進(jìn)影響穩(wěn)定后開挖鉆場(chǎng)，其形成的大斷面硐室圍巖最大主應(yīng)力分布規(guī)律如圖7。其中，巷道圍巖受到鉆場(chǎng)開挖二次擾動(dòng)影響后，其頂板圍巖應(yīng)力擾動(dòng)范圍達(dá)到16 m，并且由于頂板跨度由6 m增加至10.5 m，因此距離頂板圍巖表面5.5 m范圍內(nèi)的巖體應(yīng)力減小至1.5 MPa以下。同時(shí)，靠近鉆場(chǎng)一側(cè)的幫部圍巖內(nèi)的集中應(yīng)力距離巷道表面距離減小為3.6 m，而未開挖一側(cè)的幫部?jī)?nèi)的集中應(yīng)力出現(xiàn)在8.5 m位置，兩幫應(yīng)力集中系數(shù)均減小為1.07。與回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中的幫部集中應(yīng)力分布規(guī)律相比，硐室斷面增加后其幫部集中應(yīng)力與硐室圍巖表面距離顯著減小，致使大斷面硐室的淺部圍巖承受較大集中應(yīng)力，造成淺部圍巖變形量顯著增加，鉆場(chǎng)開挖后圍巖變形規(guī)律如圖8。開挖鉆場(chǎng)一側(cè)的幫部圍巖表面變形量為180 mm左右，在距離巷道表面2 m位置，圍巖變形量減小至80 mm；另一側(cè)幫部圍巖表面變形量小幅增加，變形量為273 mm。在鉆場(chǎng)開挖及穩(wěn)定過(guò)程中，頂部圍巖最大下沉量仍然出現(xiàn)在中間位置，最大變形量為200 mm，不同巖層接觸面離層量增加至30 mm。由此可知，鉆場(chǎng)開挖產(chǎn)生的二次擾動(dòng)會(huì)加速劣化巷道圍巖穩(wěn)定性，促使回風(fēng)巷圍巖產(chǎn)生強(qiáng)烈變形，尤其是硐室跨度增加至10.5 m后，頂部圍巖的彎曲下沉和內(nèi)部離層嚴(yán)重，同時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力重分布過(guò)程也會(huì)對(duì)鉆場(chǎng)圍巖穩(wěn)定過(guò)程產(chǎn)生顯著影響。

圖7 鉆場(chǎng)開挖后圍巖最大主應(yīng)力分布規(guī)律

圖8 鉆場(chǎng)開挖后圍巖變形規(guī)律

3 大斷面復(fù)合頂板硐室支護(hù)對(duì)策

3.1 2302工作面回風(fēng)平巷支護(hù)參數(shù)

2302工作面回風(fēng)平巷支護(hù)斷面圖如圖9。

圖9 2302工作面回風(fēng)平巷支護(hù)斷面圖

1）錨桿。采用桿體φ22 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，型號(hào)為超高強(qiáng)熱處理錨桿BHRB500，長(zhǎng)度 2 400 mm。錨固長(zhǎng)度1 200 mm，頂部錨桿間排距800 mm×1 000 mm，幫部錨桿間排距900 mm×1 000 mm，底錨桿配合1塊W鋼護(hù)板支護(hù)，每孔采用MSCK2335和MSK2360樹脂錨固劑各1支。錨固力不小于190 kN，預(yù)緊力矩不小于40 N·m。

2）錨桿托板。拱形高強(qiáng)度托板配合球形墊和減阻尼龍墊圈，規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm。

3）網(wǎng)片。采用鋼筋經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)孔40 mm×40 mm，網(wǎng)與網(wǎng)之間采用16#鉛絲綁扎，雙絲雙扣。

4）錨索。采用φ22 mm，1×19股高強(qiáng)度松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。頂板錨索間排距1 400/1 600×2 000 mm，錨索長(zhǎng)度7 300 mm，呈“四三”布置。每根錨索使用1支MSCK2335和2支MSK2360樹脂錨固劑，初次張拉力為300 kN。

5）錨索托板。采用300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具，承載能力大于550 kN。

6）鋼筋托梁。斷面φ14 mm雙鋼筋焊接，頂托梁全長(zhǎng)5 850 mm，寬度110 mm，間距800 mm；幫托梁全長(zhǎng)2 950 mm，寬度110 mm，間距900 mm。底角錨桿為W鋼護(hù)板，規(guī)格為280 mm×450 mm×4 mm。

3.2 鉆場(chǎng)支護(hù)參數(shù)

2302工作面回風(fēng)平巷鉆場(chǎng)支護(hù)斷面圖如圖10。

圖10 2302工作面回風(fēng)平巷鉆場(chǎng)支護(hù)斷面圖

1）加強(qiáng)支護(hù)。在開口位置頂板，外鎖口錨索布置9根，與回風(fēng)平巷錨桿采區(qū)插花布置，錨索間距為2 000 mm，內(nèi)鎖口錨索布置5根，間距為1 700 mm，內(nèi)外鎖口錨索均采用φ14雙鋼筋梯子梁連接。2排錨索排距為1 150 mm。采用1支CK2335和2支Z2360型樹脂錨固劑錨固。

2）頂板支護(hù)。錨桿間排距為850 mm×800 mm，兩肩角錨桿距幫均為250 mm，錨桿與垂線呈20°外斜布置，其余錨桿垂直頂板布置。鉆場(chǎng)第1排錨桿距離外鎖口加強(qiáng)支護(hù)錨索排距為750 mm。采用1支CK2335和1支Z2360型樹脂錨固劑錨固。除加強(qiáng)支護(hù)錨索外，另布置5根錨索，間排距為1 600 mm×1 600 mm，第1排頂板錨索與鎖口內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)錨索排距為1 600 mm，距離兩幫各1 530 mm，布置3根，再往里排距1 600 mm。金屬網(wǎng)規(guī)格為6 000 mm×1 000 mm。采用型號(hào)為φ14-5-110-2 900/5 850 mm的雙筋梯子梁加強(qiáng)支護(hù)。

3.3 巷道及硐室圍巖控制效果

巷道圍巖表面位移是反映巷道圍巖穩(wěn)定狀況的綜合指標(biāo)。為此，在2302工作面回風(fēng)平巷內(nèi)滯后掘進(jìn)工作面50 m和新掘鉆場(chǎng)內(nèi)分別設(shè)置1組圍巖表面位移觀測(cè)站，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行位移量觀測(cè)。

經(jīng)過(guò)60 d的跟蹤觀測(cè)，2302工作面回風(fēng)平巷頂板下沉量為120 mm左右，兩幫圍巖收斂變形量為110 mm；初始觀測(cè)時(shí)，頂幫圍巖表面變形速度均為1.5 mm/d；待 40 d 后，圍巖變形量趨于穩(wěn)定，均在0.5 mm/d以下。鉆場(chǎng)頂板下沉量為108 mm，兩幫圍巖收斂量在104 mm以下，待40 d后，圍巖變形量趨于穩(wěn)定，均在0.3 mm/d以下。上述觀測(cè)結(jié)果表明，“錨桿+雙層鋼筋梯子梁+錨索+鋼筋網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)方案有效控制大斷面復(fù)合頂板硐室的圍巖變形。

4 結(jié)論

1）2302工作面回風(fēng)平巷掘進(jìn)形成后，兩幫和頂板變形量達(dá)到200 mm以上；頂板應(yīng)力擾動(dòng)范圍達(dá)到13 m以上。

2）鉆場(chǎng)開挖造成巷道圍巖二次擾動(dòng)，與回風(fēng)平巷穩(wěn)定性相互加速劣化，其頂板下沉量增加至300 mm，頂板應(yīng)力擾動(dòng)范圍增加至16 m以上。

3）巷道及鉆場(chǎng)采用“高強(qiáng)錨桿+雙層鋼筋梯子梁+錨索+鋼筋網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)方案后，其圍巖變形量均在120 mm以下，圍巖變形速度均在0.5 mm/d，有效控制了大斷面復(fù)合頂板硐室的圍巖變形。