大断面巷道掘支工艺优化与围岩控制关系的研究

崔发发

（山西宁武榆树坡煤业有限公司，山西 忻州 036700）

1 工程概况

1.1 工作面概况

榆树坡煤矿2203 工作面主采2#煤层，2#煤位于太原组上部，K2 砂岩下。根据附近巷道揭露煤层情况：煤层厚度为4.6 m，结构较简单，含夹矸4层，煤层产状：180°～215°∠0～10°，坚固性系数（f）：1.28，倾角0～9°，平均5°。煤层顶板为砂质泥岩及细砂岩，直接底为砂质泥岩。

2203 工作面南部为2201 工作面（暂未回采），东部为2#煤二采区辅运大巷，西部及北部均为实体煤，无采空区存在。工作面煤层埋藏深度390～420 m。目前正在掘进2203 工作面进风顺槽，主要用于2203 回采工作面的进风、运输、行人等需要，巷道与2201 回风顺槽间隔10 m 宽煤柱，设计长度1203 m，断面设计为矩形，宽为5.2 m，高为4.4 m。

1.2 地质构造

根据三维地震资料及附近2201 进风顺槽揭露断层情况，2203 进风顺槽掘进方向存在两条断层，分别为T182 正断层及T183 正断层，均为A 级断层。其具体产状见表1。

表1 断层产状

1.3 地质力学测试

为给巷道支护参数及掘进工艺的优化提供合理依据，在2203 工作面附近进行了围岩强度及地应力的现场测试。结果表明：工作面附近的最大主应力为10.6 MPa，最小主应力为3.9 MPa，围岩中细砂岩平均抗压强度为69.35 MPa，砂质泥岩的平均抗压强度为41.22 MPa，2#煤层煤体的平均抗压强度为10.68 MPa。

由于巷道断面较大，加之构造应力的影响，导致巷道掘进时两帮的软弱煤体变形破坏较为严重，进而影响了围岩整体的稳定性，因此，需对巷道的掘进方式及支护方案进行优化研究[1-4]。

2 巷道快速掘进方案

2.1 模型建立及模拟方案

为确定合理的掘进、支护方案，采用FLAC3D数值模拟软件，根据2203 进风顺槽的实际地质条件建立模型，模型尺寸为：长×宽×高=40 m×10 m×35 m。为模拟上覆岩层的压力，在模型顶部施加6.5 MPa 均布载荷，通过位移边界条件对模型两边和底部进行约束，并采用Mohr—Coulomb准则作为煤岩体破坏的依据。

巷道支护参数为：顶板采用Φ20 mm×2000 mm锚杆、Φ17.8 mm×6200 mm 锚索、钢筋网支护，每排布置5 根锚杆，锚杆间排距1450 mm×1000 mm，每排锚杆间再布置2 根锚索，与锚杆2 眼和4 眼对齐，锚索间排距2900 mm×1000 mm。巷道两帮采用锚杆、钢筋网支护，距顶板不大于300 mm 处打第一根帮锚杆，然后自上往下间隔1000 mm打剩余的4根帮锚杆，帮锚间排距1000 mm×1000 mm。

注浆钻孔布置：主要对巷道两帮进行注浆加固，各帮布置3 排注浆钻孔，上下两排钻孔分别距顶底板800 mm，钻孔间距为1400 mm，钻孔排距为1500 mm，钻孔直径均为42 mm，孔深均为6000 mm。靠近顶板的上排注浆孔向上仰斜10°施工，靠近底板的下排注浆孔下扎10°施工，中间的钻孔垂直巷帮施工。模拟时，锚杆索的力学参数按表2进行赋参，煤岩体及注浆加固后煤体的物理力学参数按表3 进行赋参。

表2 锚杆索力学参数

表3 煤岩体物理力学参数

根据现场实际条件结合以往工程经验，共设置4 种掘进及支护模拟方案，分别对不同方案下的巷道围岩稳定性进行模拟。具体方案如下：

方案一：巷道分两次掘进，先掘出宽5.2 m、高3.2 m 的断面，然后挖底1.2 m 至设计断面，顶板及两帮采用锚杆索支护，巷帮未注浆。

方案二：巷道一次掘进成型，宽5.2 m，高4.4 m，顶板及两帮采用锚杆索支护，巷帮未注浆。

方案三：巷道分两次掘进，先掘出宽5.2 m、高3.2 m 的断面，顶板及两帮采用锚杆索支护，支护完成后多巷帮进行注浆加固，结束后再挖底1.2 m 至设计断面。

方案四：巷道一次掘进成型，宽5.2 m，高4.4 m，顶板及两帮采用锚杆索支护，巷帮进行注浆加固。

2.2 模型结果分析

图1 为方案一下巷道围岩破坏特征、应力分布特征及变形情况。

图1 方案一模拟结果

由图1 可知，采用方案一进行掘进及支护时，巷道围岩的破坏主要集中于巷帮，其破坏深度达到了3.1 m，而帮锚杆长度仅为2.0 m，超出了帮锚杆控制范围，导致支护效果较差；巷帮内存在明显应力集中，峰值为31.1 MPa；掘进后顶板最大下沉量为232 mm，巷帮最大收缩量为296 mm。

图2 为方案二下巷道的围岩破坏、应力分布及变形特征。

图2 方案二模拟结果

由图2 可知，采用方案二进行掘进、支护时，巷道顶板的破坏范围较方案一无明显变化，但由于巷道是一次掘进成巷，巷帮的变形破坏较为严重，其塑性破坏区范围达到了4.1 m，较方案一时增大了32.3%，且巷帮应力集中峰值较方案一增加了2 MPa 左右，围岩稳定性差；掘进后巷道顶板的最大下沉量为291 mm，巷帮最大收缩量达到了398 mm，较方案一时分别增大了25.4%及34.5%，围岩变形量较大。

图3 为方案三下巷道的围岩破坏、应力分布及变形特征。

图3 方案三模拟结果

由图3 可知，采用方案三进行掘进、支护及注浆时，巷帮的塑性破坏范围明显缩小，其破坏深度减小至1.5 m，较方案一时减小了51.6%；巷帮应力集中峰值为27.8 MPa，较方案一时减小了3.3 MPa；围岩应力环境有所改善，围岩变形量也较小，其中顶板最大下沉量为200 mm，巷帮最大收缩量为233 mm，较方案一时分别减小了13.8%及21.3%，控制效果最佳。

图4 为方案四下巷道的围岩破坏、应力分布及变形特征。

图4 方案四模拟结果

由图4 可知，采用方案四进行掘进、支护及注浆时，由于巷道是一次掘进成巷，注浆加固后巷帮的破坏深度为1.8 m，巷帮应力集中峰值为29.2 MPa，其塑性破坏范围及应力集中程度较方案三时有所增大，但均小于方案一及方案二，说明对巷帮进行注浆加固可有效控制围岩的稳定性。该方案下，巷道顶板最大下沉量为213 mm，巷帮最大收缩量为249 mm，略大于方案三，但较方案一时分别减小了8.2%及15.9%，围岩控制效果较好。

综合数值模拟结果，采用方案三时巷道的变形破坏程度最小，且围岩应力环境较好，因此确定合理的掘进及支护方案为：分次掘进+锚杆索支护+巷帮滞后注浆。

3 现场应用效果分析

为评价分析掘支方案对围岩的控制效果，在2203 进风顺槽掘进时采用十字布点法对巷道表面的变形情况进行了为期100 d 的监测，监测结果如图5。

图5 掘进期间围岩位移曲线

由图5 可知，巷道围岩变形量随着时间的持续先线性增大后趋于平稳。其中，巷道顶板变形在50 d 后逐渐趋于稳定，其最大下沉量为52 mm；巷道底板变形于60 d 后逐渐趋于稳定，最大底鼓量为75 mm；巷道两帮变形于70 d 后逐渐趋于稳定，最大移近量为150 mm。整体变形量较小，均在可控范围内，表明“分次掘进+锚杆索支护+巷帮滞后注浆”的掘支方案可有效保证巷道的稳定性。

4 结论

1）通过数值模拟分析了不同掘支方案下的巷道稳定性，得出：巷道分两次掘进可减缓围岩应力的释放，有利于巷道的维护；同时，配合锚杆索及注浆加固联合支护可有效提高煤体的承载性能，抑制两帮煤体的进一步破坏，从而保证巷道的稳定性。

2）现场应用结果表明：采用优化后的掘支方案，巷道顶板的最大下沉量为52 mm，最大底鼓量为75 mm，两帮的最大移近量为150 mm，整体变形量较小，控制效果显著。