义煤集团千秋煤矿千米深大巷变形机理研究

谢军峰 刘智理

（河南能源化工集团有限公司）

随着浅部煤炭资源的枯竭，煤炭开采不断向深部转移，深部开采与浅部开采有很多不同，近年来，不少学者对深部开采围岩控制进行了深入研究［1-5］，为深部巷道维护奠定了基础。但现有研究中涉及的巷道均位于同一煤层或岩层中，对于跨2组或多组岩性岩层的大巷的变形机理方面的研究有待深入。

本研究结合千秋煤矿超千米深大巷实际情况，对其变形机理进行研究，为类似条件下的大巷围岩控制提供依据。

1 工程概况

义煤集团千秋煤矿位于三门峡义马市市区南部，距市区22 km。-800 m 水平轨道北大巷对应的地面位置为新副井工业广场，地面标高+211.5～+220.5 m，地势西高东低，为丘陵地带；无河流、铁路，公路。-800 m 水平轨道北大巷位于42 采区南部，北部为42 采区回风上山，南部-800 m 水平新副井及-800 m水平井底车场、泵房变电所，东部为未开拓新区。

-800 m水平轨道北大巷设计总长度为364.75 m，掘进坡度为+3.58‰。该工程于2016 年12 月开始掘进，2017年8月竣工。该巷道赋存于太原群。掘进施工时主要穿越石灰岩、泥岩、砂岩。其中，石灰岩为C3L8灰岩，深灰色，细晶质，含大量蜓、腕足类动物化石，裂隙充填方解石。砂质泥岩深灰色，致密，细腻性脆及壳状断口，含植物化石碎片，含黄铁矿结核，夹菱铁质泥岩，裂隙充填次生黄铁矿，分选性一般，水平层理，钙质胶结，呈层状，局部夹灰色薄层泥岩渐变为中粒砂岩；中粒砂岩，灰色，以石英、长石为主，含暗色矿物，断续层理，钙质胶结。岩性特征如图1所示。

大巷断面净断面尺寸为4.6 m×3.68 m（宽×高），掘进断面尺寸为4.8×4.0m（宽×高）的直墙半圆拱形断面，断面面积S掘=17.2 m2，S净=15.7 m2。在满足运输、通风、行人等要求条件下，巷道设计支护断面如图2所示。

2 数值模拟

由于大巷坡度变化，加之岩层倾角变化，大巷在岩层中主要穿越泥岩、石灰岩和砂岩岩层。现以典型的穿越2 组（泥岩与石灰岩）岩层情况进行FLAC3D数值模拟分析。模拟中计算采用Hoek-Brown 模型［6］，即

式中，σ1为破坏时的最大主应力，MPa；σ3为破坏时的最小主应力（或三轴试验中的围压），MPa；mb为岩体的H-B 常数；s为与岩体特性有关的材料常数，反映岩体破碎程度，取值范围为0～1；a为表征节理岩体的常数；σci为完整岩石的单轴抗压强度（UCS），MPa。

为便于建模，柱状图（图1）中厚度小于0.5 m 以下的岩层均合并到邻近较厚的岩层中。所构建的模型尺寸为164.8 m ×150 m×80 m（长×宽×高）（图3）。施加25 MPa 的竖直向下压力加载于模型顶部模拟未建上覆岩层质量，巷道左右各留设80 m以消除边界影响。模型底部约束横向和纵向位移，两边约束纵向位移（图4）。通过RocData 软件得到的各岩层H-B参数取值见表1。数值模拟结果如图5所示。

注：mi为完整岩石参数；GSI为地质强度指标。

由图5 可知：由于大巷埋深超千米，大巷围岩应力较大，其中，巷帮中的高应力可达50 MPa左右。塑性区发育宽度较小，为0.4～0.6 m。当大巷底板为强度较小的砂质泥岩或泥岩时，底板塑性区发育范围较大，而顶板为强度较大的石灰岩，因此顶板塑性区发育范围较小。可见，虽然在强度较大的岩层中掘进巷道时，掘进作业难度较大，但对于围岩维护较为有利。另外，巷道顶底板破坏范围差异的另一原因也在于拱形顶板受力状态较好，受力面和形状较为均匀。因此，硬岩防冲击的难度较大，一旦弹性能在高应力作用环境下瞬间释放，则易引发冲击灾害。同时也可发现，大巷两帮处破坏沿着竖直帮部继续向上下发展，且破坏形式为剪切破坏，尤其两帮向下延伸至底板的剪切破坏深度更大，这也表明顶板弧形拱状顶板形状过于平缓，有助于平均分布应力和减小地下空间构筑物形状急剧变化造成的大的塑性区破坏范围。

3 支护设计与实测

根据上述数值模拟分析结果，设计的大巷支护方案如图6 所示。采用锚网喷+锚索支护，采用φ22 mm×2 400 mm 螺纹钢树脂锚杆，锚杆间排距700 mm×700 mm；锚索采用φ22 mm×6 000 mm 钢绞线，间排距1 400 mm×2 000 mm，端头锚固；巷道全断面铺设金属网。

（1）“锚网喷+锚索”支护。拱部采用12 根φ22 mm×2 400 mm 螺纹钢树脂锚杆，两帮共采用6 根φ22 mm×2 400 mm 螺纹钢树脂锚杆，锚杆间排距700 mm×700 mm。每根锚杆配备2 卷Z2850 型树脂锚固剂，每根锚杆配备150 mm×150 mm×10 mm（长×宽×高）铁托盘。施工锚杆时全断面铺设金属网片，金属网采用φ6 mm 钢筋加工而成，规格2 000 mm×1 000 mm（长×宽），网格尺寸为100 mm×100 mm，采用拉握方式扣扣相连。喷浆厚度为100 mm。混凝土强度等级为C20，配合比为水泥∶砂∶米石=1∶2∶2（质量比，每车混合料配10 袋水泥）。水泥为普通硅酸盐32.5#水泥；砂为中粗砂，细度模数宜大于2.5，含水率为7%～10%，使用矿区生活用水；米石必须坚硬耐久，粒径为5～15 mm。速凝剂标号Hss-3，掺入量为水泥质量的3%～5%，喷拱部时取上限，淋水区可酌情加大掺入量。每次喷浆时必须预留100 mm的网边，便于金属网间搭接。

（2）加强支护。巷道正常掘进时，每排布置3 根锚索，锚索采用φ22 mm×6 000 mm 钢绞线；每根锚索使用4 卷Z2850 型树脂锚固剂，锚索间排距1 400 mm×2 100 mm，锚索托盘规格为250 mm×250 mm×20 mm（长×宽×高）。正常施工时，锚索滞后迎头不超过100 m。锚杆采用φ22 mm×2 400 mm 螺纹钢树脂锚杆，锚杆间排距700 mm×700 mm；锚杆扭矩不小于200 N·m，锚杆拉拔强度不小于78.4 kN。

在巷道支护施工过程中进行了拱顶相对移近量、两帮及肩部相对移近量、底板相对移近量监测。观测方法：在巷道开口点每隔20 m 设一组监测点，观测巷道表面位移情况，每组观测点在巷道拱顶、肩窝及两帮拱基线处各设一个监测点（钉上水泥钉作为标记），做好初始读数记录，后续工作中每10 d 观测一次，并做好记录。如果移近量超过100 mm，应查明原因，及时采取措施进行处理［7］。从大巷变形的监测结果来看，巷道顶、底板无明显压力显现，在安全、运输、通风等方面均能满足安全生产需要。

4 结 语

结合义煤集团千秋煤矿超千米深大巷实际情况，对跨2 组以上岩层大巷的变形机理进行了研究。

结果表明：超千米深大巷巷帮中的应力较大，最高应力可达50 MPa左右；拱形顶板比矩形、梯形等形状的顶板易于应对深部高应力环境，有助于减小塑性破坏区范围；大巷位于2 组岩层中间时，强度较大的岩层对位于该部分的巷道部分维护有利；大巷顶底板沿帮上下发育的剪切破坏带主要由竖直帮部造成的剪切引起。在此基础上，设计了大巷支护方案，并结合围岩变形实测结果，分析了支护方案的适用性。