大断面巷道二次联合支护技术研究

景 涛，李 兵

(1.陕西省应急管理厅，陕西 西安 710001；2.陕西省府谷县能源局，陕西 榆林 719000)

0 引言

随着我国浅部煤炭资源逐步衰竭，当前煤炭开采已逐步向深部开采发展。由于煤矿开采深度加大和机械化程度提高，为满足煤矿运输及通风需要，矿井回采巷道逐渐扩大已成为必然趋势[1]。同时，巷道断面不断增大也提高了巷道支护的难度，其中以软岩巷道支护最为显著[2-4]。为此，大量学者对此进行研究：何满潮[5]等根据现场地质条件，结合理论计算方法及数值计算，针对软岩巷道提出预留刚隙柔层支护技术；严红[6]等依据深部矿井开采过程中大断面煤层巷道变形破坏特点，提出双锚索桁架控制系统；杨军[7]等通过理论分析、数值模拟等方法，提出“四控”系统有效控制软岩巷道各部位变形；李学彬[8]等通过分析巷道围岩变形特征，通过理论分析、数值计算方法提出高强度钢管混凝土支架方案以限制巷道围岩变形破坏；谢生荣[9]等结合煤矿巷道围岩破坏机理，提出了锚喷注强化承压拱理论；余伟建[10]等借助工程类比等方法，提出应加强软岩巷道二次支护的相互联系与作用，从而提高整体支护强度。

结合铜川矿区某矿大断面巷道支护效果差，后期维护费用高等问题，将该矿井530水平东5#进风斜巷作为研究对象，利用数值计算方法，对软岩大巷道断面支护问题进行研究。

1 工程概况

东5#进风斜巷设计为半圆拱断面，总工程量为92.1 m，掘进断面11.79 m2，净断面10.2 m2。巷道自起坡点依次穿越石灰岩段、铝土泥岩及软岩互层段，巷道在软岩段施工量为60 m。经现场调研支护效果，一次支护在软岩巷道段效果差，巷道顶板破碎严重。巷道穿越岩层综合柱状图如图1所示，东5#进风斜巷布置示意图如图2所示。

图1 巷道穿越岩层综合柱状图

图2 5#进风斜巷巷道位置图

该矿井地质构造较为复杂，其中小型节理、裂隙发育，断层多，煤层顶板多有淋水现象。煤层顶底板岩性多为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等，普氏硬度系数f=2～4，属松散破碎的软岩，遇水易崩坏，巷道支护困难。在巷道掘进过程中，由于地质原因经常前掘后修，极大地降低了掘进效率，同时威胁着矿井安全生产。针对存在的问题，传统的支护措施已不满足该巷道的安全稳定需求，故应采取优化支护措施。

2 数值模拟

2.1 模型建立

采用FLAC3D有限差分数值模拟软件，对该巷道进行数值模拟。模型为100 m×82 m×80 m(长×宽×高)，满足圣维南原理的要求。模型网格划分如图3所示。

图3 模型网格图

为监测巷道在开挖过程中的变形情况，在巷道内每隔一段距离将一个剖面设为观测站，布置监测点，以HYD-1观测站为例，具体监测点布置如图4所示。

图4 HYD-1观测站测点布置示意图

2.2 模拟方案

东5#进斜巷道变形及破坏影响因素较多，因此用数值模拟巷道变形破坏规律时，应主要对以下情况下巷道的变形破坏特征综合分析。

巷道支护方式及参数：巷道石灰岩段采用喷射混凝土支护，混凝土喷射厚度150 mm，混凝土强度要求C20级；软岩段采用锚网索喷支护，锚杆间、排距800 mm×800 mm，锚索排距800 mm，间距顶部1.4 m，帮部2 m；锚杆、锚索布置见支护断面图。锚杆规格选用φ20 mm×2 250 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆；锚索型号选用φ15.24 mm×5 000 mm；混凝土临时喷射厚度50 mm；网为圆钢Q235φ6.5 mm，网格80 mm×80 mm，网与网之间搭接100 mm。

围岩条件：参考巷道穿越岩层综合柱状图进行分析。

支承压力：回采工作面爆破落煤及采动支承压力影响。

2.3 模拟结果分析

模拟结合矿井各岩层物理力学参数，对530水平5#进风斜巷进行数值模拟。静载荷条件下断面y方向分别为10 m、30 m、50 m处巷道围岩压力分布情况如图5～7所示。

a-顶板垂直应力分布图；b-两帮水平应力分布图图5 y=10 m处受力情况

a-顶板垂直应力分布图；b-两帮水平应力分布图图6 y=30 m处受力情况

由计算后的各断面应力云图(图5～图8)可以看出：巷道围岩应力随巷道开挖导致其重新分布，应力集中主要出现在巷道的两帮、底板及拱顶处。在两帮处的垂直应力随巷道表面距离先增大后减小。自承应力较强段是奥灰岩段围岩，其应力集中区距巷道表面较近，最大垂直应力为16 MPa，最大水平应力为20 MPa。在围岩条件变化过程中，软岩段应力变化明显，其前段围岩应力释放大，应力集中区距帮部较远，最大垂直应力为14.1 MPa，最大水平应力为18.7 MPa；图6显示，在y=30 m处软岩段下部，由于其岩性强度较低，导致其巷道两帮处发生应力集中切距围岩表面最远，距离为5 m，在动压影响过程中，由于巷道底板不存在支护结构，固其水平应力显著释放，应力值较低。

a-顶板垂直应力分布图；b-两帮水平应力分布图图7 y=50 m处受力情况

a-围岩移动变形与锚杆受力特征；b-现有支护方案下巷道围岩位移矢量图图8 现有支护方案下y=14 m断面巷道位移特征图

以上分析表明，奥灰岩段围岩完整性好，自承能力强，现有支护完全可以满足支护要求；巷道软岩段，因受围岩条件及地应力的影响围岩受力分布在全长范围内变化较大，现有支护方式未能充分调动围岩自身的承载能力。

从图9中分析可知，各测站巷道顶、底板围岩表面至2 m深范围内的围岩位移值较大，而深度超过2 m后，围岩位移量显著减少，深度2 m的测点则为巷道围岩内部移动变形的一个拐点，拐点前后的位移值相差很大。图中显示，软岩段拐点比灰岩段较深，其主要原因在于灰岩段整体完整，承载能力强。此外，由该图可得出，软岩段帮部围岩变形共出现两个拐点，两点间深度差为5 m，这一深度差已超出锚杆锚固有效范围。

a-巷道顶板变形与煤壁距离关系；b-巷道底板变形与煤壁距离关系；c-巷道帮部变形与煤壁距离关系图9 巷道顶底板变形与煤壁距离关系

该巷道围岩条件复杂，覆岩破坏变形后产生的围岩应力高，传统的锚网索喷支护在动压影响下已不满足支护要求，因此，对巷道实现卸压是必要的。单纯依靠加大锚杆支护密度和支护强度都无法有效支护巷道，同时也造成了支护成本的大幅度增加。

运用二次补强支护的思想，在一次锚网索喷支护充分卸压后，采用U29型钢大刚度高强度支架作为二次补强支护，可以保证巷道在动压期间保持稳定，因此，锚网索喷作为一次支护的主要作用：一是锚杆支护是一种主动支护方式，对巷道施加一定的支护阻力，能调动围岩自身的承载能力；二是由于锚杆支护是一种柔性支护方式，作为一种初次支护，可以对巷道围岩起到一定的卸压作用，同时避免锚杆破断及冒顶。

3 结论

(1)由数值模拟结果可知，奥灰岩段围岩完整性好，自承能力强，现有支护完全可以满足支护要求；巷道软岩段，因受围岩条件及地应力的影响围岩受力分布在全长范围内变化较大，现有支护已不满足巷道支护要求。

(2)各测站巷道顶、底板围岩表面至2 m深范围内的围岩位移值较大，而深度超过2 m后，围岩位移量显著减少，深度2 m的测点则为巷道围岩内部移动变形的一个拐点，拐点前后的位移值相差很大。

(3)大断面巷道支护要求效果历来严谨，当前支护效果已无法满足，故提出在锚网索喷支护并卸压后，通过利用U29型钢支架作为二次补强支护措施，控制巷道大变形。