義煤集團千秋煤礦千米深大巷變形機理研究

謝軍峰 劉智理

（河南能源化工集團有限公司）

隨著淺部煤炭資源的枯竭，煤炭開采不斷向深部轉(zhuǎn)移，深部開采與淺部開采有很多不同，近年來，不少學者對深部開采圍巖控制進行了深入研究［1-5］，為深部巷道維護奠定了基礎。但現(xiàn)有研究中涉及的巷道均位于同一煤層或巖層中，對于跨2組或多組巖性巖層的大巷的變形機理方面的研究有待深入。

本研究結(jié)合千秋煤礦超千米深大巷實際情況，對其變形機理進行研究，為類似條件下的大巷圍巖控制提供依據(jù)。

1 工程概況

義煤集團千秋煤礦位于三門峽義馬市市區(qū)南部，距市區(qū)22 km。-800 m 水平軌道北大巷對應的地面位置為新副井工業(yè)廣場，地面標高+211.5～+220.5 m，地勢西高東低，為丘陵地帶；無河流、鐵路，公路。-800 m 水平軌道北大巷位于42 采區(qū)南部，北部為42 采區(qū)回風上山，南部-800 m 水平新副井及-800 m水平井底車場、泵房變電所，東部為未開拓新區(qū)。

-800 m水平軌道北大巷設計總長度為364.75 m，掘進坡度為+3.58‰。該工程于2016 年12 月開始掘進，2017年8月竣工。該巷道賦存于太原群。掘進施工時主要穿越石灰?guī)r、泥巖、砂巖。其中，石灰?guī)r為C3L8灰?guī)r，深灰色，細晶質(zhì)，含大量蜓、腕足類動物化石，裂隙充填方解石。砂質(zhì)泥巖深灰色，致密，細膩性脆及殼狀斷口，含植物化石碎片，含黃鐵礦結(jié)核，夾菱鐵質(zhì)泥巖，裂隙充填次生黃鐵礦，分選性一般，水平層理，鈣質(zhì)膠結(jié)，呈層狀，局部夾灰色薄層泥巖漸變?yōu)橹辛Ｉ皫r；中粒砂巖，灰色，以石英、長石為主，含暗色礦物，斷續(xù)層理，鈣質(zhì)膠結(jié)。巖性特征如圖1所示。

大巷斷面凈斷面尺寸為4.6 m×3.68 m（寬×高），掘進斷面尺寸為4.8×4.0m（寬×高）的直墻半圓拱形斷面，斷面面積S掘=17.2 m2，S凈=15.7 m2。在滿足運輸、通風、行人等要求條件下，巷道設計支護斷面如圖2所示。

2 數(shù)值模擬

由于大巷坡度變化，加之巖層傾角變化，大巷在巖層中主要穿越泥巖、石灰?guī)r和砂巖巖層?，F(xiàn)以典型的穿越2 組（泥巖與石灰?guī)r）巖層情況進行FLAC3D數(shù)值模擬分析。模擬中計算采用Hoek-Brown 模型［6］，即

式中，σ1為破壞時的最大主應力，MPa；σ3為破壞時的最小主應力（或三軸試驗中的圍壓），MPa；mb為巖體的H-B 常數(shù)；s為與巖體特性有關(guān)的材料常數(shù)，反映巖體破碎程度，取值范圍為0～1；a為表征節(jié)理巖體的常數(shù)；σci為完整巖石的單軸抗壓強度（UCS），MPa。

為便于建模，柱狀圖（圖1）中厚度小于0.5 m 以下的巖層均合并到鄰近較厚的巖層中。所構(gòu)建的模型尺寸為164.8 m ×150 m×80 m（長×寬×高）（圖3）。施加25 MPa 的豎直向下壓力加載于模型頂部模擬未建上覆巖層質(zhì)量，巷道左右各留設80 m以消除邊界影響。模型底部約束橫向和縱向位移，兩邊約束縱向位移（圖4）。通過RocData 軟件得到的各巖層H-B參數(shù)取值見表1。數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

注：mi為完整巖石參數(shù)；GSI為地質(zhì)強度指標。

由圖5 可知：由于大巷埋深超千米，大巷圍巖應力較大，其中，巷幫中的高應力可達50 MPa左右。塑性區(qū)發(fā)育寬度較小，為0.4～0.6 m。當大巷底板為強度較小的砂質(zhì)泥巖或泥巖時，底板塑性區(qū)發(fā)育范圍較大，而頂板為強度較大的石灰?guī)r，因此頂板塑性區(qū)發(fā)育范圍較小?？梢姡m然在強度較大的巖層中掘進巷道時，掘進作業(yè)難度較大，但對于圍巖維護較為有利。另外，巷道頂?shù)装迤茐姆秶町惖牧硪辉蛞苍谟诠靶雾敯迨芰顟B(tài)較好，受力面和形狀較為均勻。因此，硬巖防沖擊的難度較大，一旦彈性能在高應力作用環(huán)境下瞬間釋放，則易引發(fā)沖擊災害。同時也可發(fā)現(xiàn)，大巷兩幫處破壞沿著豎直幫部繼續(xù)向上下發(fā)展，且破壞形式為剪切破壞，尤其兩幫向下延伸至底板的剪切破壞深度更大，這也表明頂板弧形拱狀頂板形狀過于平緩，有助于平均分布應力和減小地下空間構(gòu)筑物形狀急劇變化造成的大的塑性區(qū)破壞范圍。

3 支護設計與實測

根據(jù)上述數(shù)值模擬分析結(jié)果，設計的大巷支護方案如圖6 所示。采用錨網(wǎng)噴+錨索支護，采用φ22 mm×2 400 mm 螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距700 mm×700 mm；錨索采用φ22 mm×6 000 mm 鋼絞線，間排距1 400 mm×2 000 mm，端頭錨固；巷道全斷面鋪設金屬網(wǎng)。

（1）“錨網(wǎng)噴+錨索”支護。拱部采用12 根φ22 mm×2 400 mm 螺紋鋼樹脂錨桿，兩幫共采用6 根φ22 mm×2 400 mm 螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距700 mm×700 mm。每根錨桿配備2 卷Z2850 型樹脂錨固劑，每根錨桿配備150 mm×150 mm×10 mm（長×寬×高）鐵托盤。施工錨桿時全斷面鋪設金屬網(wǎng)片，金屬網(wǎng)采用φ6 mm 鋼筋加工而成，規(guī)格2 000 mm×1 000 mm（長×寬），網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm，采用拉握方式扣扣相連。噴漿厚度為100 mm?；炷翉姸鹊燃墳镃20，配合比為水泥∶砂∶米石=1∶2∶2（質(zhì)量比，每車混合料配10 袋水泥）。水泥為普通硅酸鹽32.5#水泥；砂為中粗砂，細度模數(shù)宜大于2.5，含水率為7%～10%，使用礦區(qū)生活用水；米石必須堅硬耐久，粒徑為5～15 mm。速凝劑標號Hss-3，摻入量為水泥質(zhì)量的3%～5%，噴拱部時取上限，淋水區(qū)可酌情加大摻入量。每次噴漿時必須預留100 mm的網(wǎng)邊，便于金屬網(wǎng)間搭接。

（2）加強支護。巷道正常掘進時，每排布置3 根錨索，錨索采用φ22 mm×6 000 mm 鋼絞線；每根錨索使用4 卷Z2850 型樹脂錨固劑，錨索間排距1 400 mm×2 100 mm，錨索托盤規(guī)格為250 mm×250 mm×20 mm（長×寬×高）。正常施工時，錨索滯后迎頭不超過100 m。錨桿采用φ22 mm×2 400 mm 螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距700 mm×700 mm；錨桿扭矩不小于200 N·m，錨桿拉拔強度不小于78.4 kN。

在巷道支護施工過程中進行了拱頂相對移近量、兩幫及肩部相對移近量、底板相對移近量監(jiān)測。觀測方法：在巷道開口點每隔20 m 設一組監(jiān)測點，觀測巷道表面位移情況，每組觀測點在巷道拱頂、肩窩及兩幫拱基線處各設一個監(jiān)測點（釘上水泥釘作為標記），做好初始讀數(shù)記錄，后續(xù)工作中每10 d 觀測一次，并做好記錄。如果移近量超過100 mm，應查明原因，及時采取措施進行處理［7］。從大巷變形的監(jiān)測結(jié)果來看，巷道頂、底板無明顯壓力顯現(xiàn)，在安全、運輸、通風等方面均能滿足安全生產(chǎn)需要。

4 結(jié) 語

結(jié)合義煤集團千秋煤礦超千米深大巷實際情況，對跨2 組以上巖層大巷的變形機理進行了研究。

結(jié)果表明：超千米深大巷巷幫中的應力較大，最高應力可達50 MPa左右；拱形頂板比矩形、梯形等形狀的頂板易于應對深部高應力環(huán)境，有助于減小塑性破壞區(qū)范圍；大巷位于2 組巖層中間時，強度較大的巖層對位于該部分的巷道部分維護有利；大巷頂?shù)装逖貛蜕舷掳l(fā)育的剪切破壞帶主要由豎直幫部造成的剪切引起。在此基礎上，設計了大巷支護方案，并結(jié)合圍巖變形實測結(jié)果，分析了支護方案的適用性。