深部高应力巷道支护方案优化研究

李海龙

（同煤集团，山西 大同 037000）

随着煤矿开采深度的增加，深井高应力巷道增多，严重影响矿井安全生产[1-3]。煤矿巷道受采动影响破坏严重，而这些巷道大都处于围岩强度较低的沉积岩层中，地质构造复杂，支护难度较大[4-5]。

1 概况

东周窑矿山4#层南胶带大巷北接南部采区大巷，东、南、西三侧为未开拓区，上覆为店湾木代村煤矿侏罗系13#层小窑采空区，层间距约255m，现开采山4#煤层，平均厚度2.3m，平均埋深437m。大巷沿山4#煤层底板布置，巷道掘进后变形严重，顶板为砂质泥岩，顶板下沉量最大达900mm，严重影响了矿井的正常生产。

2 围岩破坏机理

2.1 围岩岩性分析

在东周窑矿山4#层南胶带大巷抽取岩芯，进行物理力学参数测定，分析巷道变形机理。钻孔柱状图如图1所示。

图1 钻孔柱状图

从图1可以看出，煤层的顶底板均为泥岩、砂岩，巷道变形以蠕变为主。因此，巷道支护需要有一定的可塑性支护，巷道将来会受到采动影响，又需考虑一定的刚性支护。

2.2 松动圈测定

巷道围岩松动圈理论已经成为巷道支护和维修的主要依据。松动圈的大小与巷道围岩的稳定性及支护的难易程度密切相关。现采用U510非金属超声波检测仪进行双孔探测，测试结果如表1所示。

表1 松动圈测试

3 支护参数

根据巷道变形机理和松动圈测试结果，设计采用锚网索喷支护方案。

锚杆型号为Ф22×2500mm，间排距800×800mm，每根锚杆配合1条Z2388和1条CK2360树脂锚固剂。锚杆托盘由100×100×10mm的钢板制成。锚索型号为Ф17.8×8000mm预应力锚索，间排距2000×1600mm。金属网采用Ф6.5钢筋焊接而成，规格100×100mm。喷射混凝土、铺底混凝土强度为C25。

图2 锚杆锚索支护布置图（单位：mm）

巷道扩面后，首先喷射50mm混凝土，包括巷道底板也同时进行混凝土喷射，以保证及时支护顶板。普通锚杆施工4排之后，再喷50mm混凝土。

4 数值模拟

利用FLAC3D建立巷道支护的数学模型，进行支护效果数值模拟。

4.1 模型建立

选取一个40m×40m的正方形区域，巷道位于模型的正中央。在自重应力条件下，对底边约束垂直方向位移，对左右两侧边界施加水平方向约束，在模型的顶部施加垂直地应力。岩石力学参数为容重 =25.77kN/m3，变模E=4.52GPa，粘聚力C=4.25MPa，摩擦角=45°，泊松比 =0.25。

4.2 计算结果分析

（1）无支护巷道位移

无支护条件下，巷道最大位移云图如图3所示。巷道开挖后垂直最大位移为580mm，水平最大位移约为320mm。垂直位移比较大，如果不进行支护将会发生冒顶事故。巷道周围水平应力和垂向应力均有拉应力出现，范围较大，最大水平拉应力为2.55MPa，最大水平压应力为12.6MPa，最大垂向拉应力为1.44MPa，最大垂直压应力为33.6MPa，剪应力的最大值10.2MPa。巷道周边产生拉应力，巷道无法维护，导致巷道垮塌恶性事故发生。

图3 无支护巷道位移云图

（2）支护后模拟结

由图4可得，进行巷道支护后，巷道垂直最大位移为56.6mm，水平最大位移约为21.3mm。相对于无支护的位移大大降低。在巷道周边水平和垂向应力均在支护范围内，与无支护对比可以看出，锚网索喷支护很好地改善了巷道围岩的应力状态。

图4 支护后巷道位移云图

5 支护效果监测

巷道支护结束后，选取原变形严重处安装2组测站，间距为10m，分别为1#站和2#站，每周观测、记录一次结果。从第1周至第10周，1#站处巷道两帮没有回缩，顶底板相对位移11mm，平均每天顶底板回缩0.12mm；2#站处巷道左帮回缩12mm，平均每天回缩0.13mm，右帮回缩13mm，平均每天回缩0.14mm，顶底板相对位移12mm，平均每天回缩0.13mm。

从观测结果可以看出巷道两帮及顶底板有较小的回缩，但不影响巷道正常使用，锚网索喷联合支护方式取得了良好的支护效果。