不同斷面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

黃煒偉

(潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 漳村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000)

合理的巷道支護(hù)布置方式是保證巷道安全的前提[1-3]。只有巷道圍巖結(jié)構(gòu)完整性較高、收斂位移量較小時(shí)，巷道才能夠較好的完成行人、運(yùn)輸、通風(fēng)等作業(yè)要求[4-11]。本文以漳村煤礦480大巷支護(hù)為背景，對(duì)不同巷道斷面進(jìn)行合理的錨桿索間排距布置選擇。通過數(shù)值模擬對(duì)巷道位移量、應(yīng)力分布及塑性區(qū)擴(kuò)展情況進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視探測(cè)，驗(yàn)證巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，為相似地質(zhì)條件斷面巷道支護(hù)提供依據(jù)。

1 巷道圍巖地質(zhì)概況

山西潞安集團(tuán)漳村煤礦現(xiàn)需掘進(jìn)480水平大巷，大巷共涉及三種斷面：480材料大巷、480回風(fēng)大巷以及480聯(lián)絡(luò)巷，其中480材料大巷斷面為5.4 m×3.7 m(寬×高)矩形，掘進(jìn)斷面積為21.46 m2；480回風(fēng)大巷斷面為5.8 m×4 m(寬×高)矩形，掘進(jìn)斷面積為23.2 m2；480聯(lián)絡(luò)巷斷面為4.4 m×3.6 m(寬×高)矩形，掘進(jìn)斷面積為15.84 m2。

巷道所在煤層屬二疊系下統(tǒng)山西組下部的三號(hào)煤層，煤層賦存穩(wěn)定，煤厚變異較小，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，厚度變化不大；煤層厚度5.45～6.03 m，平均厚度5.69 m，煤層埋深500～530 m。煤層直接頂巖性為泥巖，厚度0.65～8.2 m，平均厚度2.62 m，黑色塊狀，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，斷口光滑，含植物化石，局部頂板為砂質(zhì)泥巖；老頂巖性為粉砂巖，厚度7.77～11.83 m，平均厚度9.22 m，灰黑色，厚層狀，粉粒結(jié)構(gòu)，局部為砂質(zhì)泥巖；直接底巖性為砂質(zhì)泥巖，厚度3.19～4.04 m，平均厚度3.46 m，灰黑色，塊狀，斷口較平坦，含植物化石，局部底板為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)；老底巖性為細(xì)粒砂巖，厚度2.45～9.98 m，平均厚度5.67 m，灰色，中厚層狀，成分以石英長(zhǎng)石為主，夾有泥質(zhì)條帶，含少量粉砂巖。巷道埋深在400～450 m之間，根據(jù)該區(qū)域地應(yīng)力探測(cè)結(jié)果可知：巷道的垂直應(yīng)力在10.5～12.3 MPa之間，側(cè)壓力系數(shù)為1.03～1.15之間，平均約為1.1。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)得到480大巷圍巖力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

2 不同斷面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及分析

2.1 巷道錨桿索支護(hù)設(shè)計(jì)

480材料大巷支護(hù)設(shè)計(jì)：材料大巷斷面為5.4 m×3.7 m(寬×高)，巷道頂板錨桿采用等間距布置，每排6根，排距1 000 mm，間距950 mm，兩肩角錨桿分距巷幫325 mm，錨索采用“3-2-3”形式布置，“3”為隔排錨桿架間巷中及兩側(cè)1 600 mm處各布置1根錨索，間距1 600 mm，“2”為隔排錨桿架間巷中兩側(cè)800 mm處各布置1根錨索，間距1 600 mm；兩幫支護(hù)形式，錨桿等間距布置，每幫每排4根，間距1 000 mm，排距1 000 mm；幫上、下部錨桿分距頂、底板300 mm、400 mm。

480回風(fēng)大巷支護(hù)設(shè)計(jì)：回風(fēng)大巷斷面為5.8 m×4 m(寬×高)，巷道頂板錨桿采用等間距布置，每排等間距布置7根，間距900 mm，排距1 000 mm，兩肩角錨桿分距巷幫200 mm，錨索采用“3-2-3”布置，“3”為錨桿架間巷中及兩側(cè)1 600 mm處各布置一根錨索，間距1 600 mm，“2”為錨桿架間巷中兩側(cè)800 mm處各布置一根錨索，間距1 600 mm。兩幫支護(hù)每排等間距布置5根，間距850 mm，排距1 000 mm；幫上部錨桿距頂板300 mm、下部錨桿距底板為300 mm。

480聯(lián)絡(luò)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)：巷道斷面為4.4 m×3.6 m(寬×高)，巷道頂板錨桿采用等間距布置，每排5根，排距1 000 mm，間距1 000 mm，兩肩角錨桿分距巷幫200 mm，錨索采用“2-1-2”形式布置，“1”為錨桿架間巷中，“2”為錨桿架間巷中兩側(cè)900 mm處各布置1根錨索，間距1 000 mm。兩幫支護(hù)每幫每排等間距布置4根，間距1 000 mm，排距1 000 mm；幫上部錨桿距頂板300 mm，下部錨桿距底板為300 mm。

2.2 不同斷面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬分析

巷道支護(hù)形式按照設(shè)計(jì)進(jìn)行打設(shè)，用Cable單元模擬巷道錨桿，并施加預(yù)緊力，用Shell單元模擬巷道的錨網(wǎng)，建立的巷道模型如圖1所示。

圖1 巷道錨網(wǎng)索支護(hù)布置

2.2.1 巷道位移分析

圖2～圖4分別為480材料大巷、480回風(fēng)大巷和聯(lián)絡(luò)巷的圍巖位移情況。

圖4 480聯(lián)絡(luò)巷圍巖位移

圖2 480材料大巷圍巖位移

圖2中可以看出：巷道變形最大值在巷道中部位置，變形最大值為1.64 cm，頂?shù)装宓淖畲笾翟谙锏理數(shù)装逯胁?，底板變形略大于頂板，最大變形?.88 cm。在目前巷道支護(hù)形式下，巷道收縮變形較小，收縮率在0.6%左右。

圖3可以看出：巷道變形最大值在巷道中部位置，變形最大值為1.73 cm，頂?shù)装宓淖畲笾翟谙锏理數(shù)装逯胁?，底板變形略大于頂板，最大變形?.45 cm。在目前巷道支護(hù)形式下，巷道收縮變形較小，收縮率在0.59%左右，支護(hù)對(duì)巷道有良好的控制作用。

圖3 480回風(fēng)大巷圍巖位移

圖4可以看出：巷道變形最大值在巷道中部位置，變形最大值為1.41 cm，頂?shù)装宓淖畲笾翟谙锏理數(shù)装逯胁?，底板變形略大于頂板，最大變形?.69 cm。在目前巷道支護(hù)形式下，巷道收縮變形較小，收縮率在0.705%左右，支護(hù)對(duì)巷道有良好的控制作用。

2.2.2 圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展

提取三種巷道斷面的圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況如圖5所示。

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)

圖5可以看出：三種巷道斷面的塑性區(qū)發(fā)育都比較小，其中480材料大巷兩幫中部塑性區(qū)最大為1.5 m，頂板塑性區(qū)深度為0.6 m，底板為1.6 m。480回風(fēng)大巷兩幫中部塑性區(qū)最大為1.5 m，頂板塑性區(qū)深度為0.9 m，底板為1.7 m，頂板塑性區(qū)深度最小，小于底板，都在錨桿的錨固區(qū)范圍內(nèi)，錨桿錨固在穩(wěn)定層位內(nèi)。480聯(lián)絡(luò)巷兩幫塑性區(qū)最大為1.5 m，頂板塑性區(qū)深度為0.9 m，底板為1.6 m，頂板塑性區(qū)深度最小，小于底板，三條巷道的圍巖塑性區(qū)發(fā)育都在錨桿的錨固區(qū)范圍內(nèi)，錨桿和錨索都錨固在穩(wěn)定層位內(nèi)。

三種不同斷面巷道采用不同支護(hù)形式的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，巷道在設(shè)計(jì)支護(hù)形式下變形收縮較小，收縮率基本控制在小于1%，巷道塑性區(qū)較小，小于錨桿錨固位置，錨桿錨固在穩(wěn)定層位中，巷道頂板塑性區(qū)較小，小于1 m，說明錨索加強(qiáng)支護(hù)具有良好的主動(dòng)支護(hù)作用，使頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)中。

3 實(shí)施效果考察

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方式的實(shí)施效果，在3段巷道內(nèi)部進(jìn)行鉆孔窺視，探測(cè)巷道圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育范圍，鉆孔窺視圖如圖6～圖8所示。

圖8 480聯(lián)絡(luò)巷鉆孔窺視

圖6 480材料大巷鉆孔窺視

480材料大巷鉆孔窺視圖可以看出：煤柱內(nèi)部裂隙多為垂向，為明顯的壓裂裂隙，煤柱內(nèi)部0～1.2 m處于破碎區(qū)，大裂縫分布密集；1.2～1.5 m處有微裂隙，完整性有一定提升；大于1.5 m煤柱較為完整，密實(shí)性較好。巷道頂板0～1.1 m有裂隙，其中0.5 m處較為破碎，大于1.1 m深度頂板完整性較高，錨桿、錨索錨固范圍在完整區(qū)域內(nèi)。

圖7 480回風(fēng)大巷鉆孔窺視

480回風(fēng)大巷煤柱內(nèi)部裂隙發(fā)育范圍為0～1.2 m，大于1.2 m煤柱密實(shí)性較好，0.5 m處煤柱由較大裂縫。巷道頂板0～0.9 m有裂隙，大于0.9 m深度頂板完整性較高，錨桿、錨索錨固范圍在完整區(qū)域內(nèi)。

480聯(lián)絡(luò)巷煤柱內(nèi)部裂隙發(fā)育范圍為0～1.5 m，大于1.5 m煤柱較為完整，0.5 m處煤柱由較大裂縫。巷道頂板0～1.0 m有裂隙，大于1.0 m深度頂板完整性較高，錨桿、錨索錨固范圍在完整區(qū)域內(nèi)。

表2 圍巖塑性區(qū)深度對(duì)比

表1 為數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視實(shí)測(cè)的巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育深度對(duì)比情況，可以看出兩者對(duì)比差距較小，幫部和頂板的監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，顯示出了巷道模擬的可靠性以及支護(hù)方式設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)三種斷面巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的數(shù)值校驗(yàn)過程，通過對(duì)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬計(jì)算得到巷道圍巖變形及塑性區(qū)發(fā)育情況，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)兩者監(jiān)測(cè)結(jié)果較為接近，顯示了支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性。