相邻巷道断面形状选择及联合支护技术研究

裴雁飞，李永军

（山西马军峪煤焦有限公司，山西 长治 046500）

矿井由浅部向深部开采后，巷道围岩呈现出地应力加大、岩层胶结性差、松散破碎、具有明显膨胀性、流变性等软岩特征[1-3]。为减小巷道围岩变形，可选取合理的巷道形状进行围岩控制，我国专家学者对巷道断面形状选择进行了大量研究[4-14]，然而巷道断面研究往往集中在单个巷道上，而对沿空掘巷相邻巷道的断面研究较少。曙光矿2 号煤为高应力软岩，相邻工作面间采用错层位外错式沿空掘巷巷道布置方式，由于回采巷道服务周期较短，选用“矩形- 矩形”、“矩形- 异形”、“异形-异形”等断面，且为相邻的两个巷道，分别取名为上巷和下巷。采用数值模拟研究下巷开挖后巷道围岩变形特征、围岩侧向支承压力分布和围岩塑性区分布规律，并采用错层位外错式相邻巷道联合支护技术。

1 数值模拟与参数

相邻巷道间断面形状组合选取“矩形- 矩形”、“矩形- 异形”、“异形- 异形”3 种形式，如图1所示。

图1 巷道断面尺寸示意Fig.1 Diagram of roadway section size

本文采用FLAC3D 数值模拟软件进行模拟，计算模型沿X 轴方向长度为250 m，沿Y 轴方向长度为40 m，沿Z 轴方向长度为165 m，如图2 所示。

图2 FLAC3D数值模拟模型Fig.2 FLAC3D numerical simulation model

模型约束其四周及底部位移，顶部为自由边界；在顶部施加13 MPa 的荷载，模拟顶部至地表岩体自重；各岩层的物理力学计算参数详见表1，模拟研究巷道开挖后围岩变形特征、围岩侧向支承压力和围岩塑性区分布规律。

表1 各岩层的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock layer

2 数值模拟结果及分析

2.1 巷道围岩变形特征

从图3 可看出，“矩形- 矩形”巷道、“矩形- 异形”巷道、“异形- 异形”巷道下巷围岩表面位移变化曲线大致相同，但由于巷道断面形状的区别，“矩形- 矩形”巷道下巷围岩位移最大，顶板、底板和帮部分别为298、198、190 mm；“矩形- 异形”巷道次之，顶板、底板和帮部分别为273、190、182 mm；“异形- 异形”巷道最小，顶板、底板和帮部分别为260、183、175 mm。

图3 下巷围岩表面位移变化曲线Fig.3 Change curve of surface displacement of surrounding rock in lower roadway

2.2 巷道围岩侧向支承压力分布

巷道围岩侧向支承压力分布变化曲线，如图4所示。

图4 巷道围岩侧向支承压力分布变化曲线Fig.4 Variation curve of lateral support pressure distribution of roadway surrounding rock

（1） “矩形- 矩形”巷道、“矩形- 异形”巷道、“异形- 异形”巷道侧向支承压力变化分布规律基本一致，在下巷巷道处侧向支承压力基本重合，接近于零。

（2） 由于接续面巷道的开挖，使上覆岩层的垂直应力发生分流，出现两次应力峰值，分别位于窄煤柱和接续面巷道右侧。

（3） 位于窄煤柱处的应力峰值，“矩形- 矩形”巷道的垂直应力峰值约为18 MPa，“矩形-异形”巷道的垂直应力峰值约为17 MPa，均高于原岩应力16 MPa，煤柱发生破坏，煤柱承载力减弱，不利于相邻巷道间的联合支护，“异形- 异形”巷道的垂直应力峰值约为14 MPa，低于原岩应力，有利于相邻巷道间的联合支护。

2.3 巷道围岩塑性区分布

不同断面巷道围岩塑性区分布如图5 所示。

图5 不同断面形状巷道围岩塑性区分布Fig.5 Plastic zone distribution of surrounding rock in different section shape roadway

由图5 分析可知，巷道围岩的破坏主要为剪切、拉伸破坏，巷道围岩两帮的塑性区大于顶底板塑性区。“矩形- 矩形”巷道受偏心压力影响较大，帮部和帮角易发生剪切破坏，塑性区范围较大。“异形- 异形”巷道整体稳定性更好，两帮承压均衡受偏心压力影响较小，主要由两帮承压，两帮和底角容易剪切破坏，围岩塑性区较小。

综上所述，“异形- 异形”巷道相较于“矩形- 异形”巷道和“矩形- 矩形”巷道，其下巷巷道围岩位移、侧向支承应力和围岩塑性区最小，故选择“异形- 异形”巷道作为错层位外错式沿空掘巷巷道断面形状。

3 巷道围岩控制及支护参数确定

3.1 巷道围岩控制技术研究

采用错层位外错式沿空掘巷相邻巷道间联合技术，首先对上巷巷道进行适当破顶布置，锚杆、索利于打入顶部稳定的岩层内，更易发挥悬吊作用[15-16]；同时，通过向上巷实体煤侧巷帮打入锚杆、索，对其进行加固，抑制围岩扩容变形，为沿空掘巷顶板支护创造条件；待上区段工作面采动稳定后，对下巷进行沿空掘巷，巷道沿底布置，通过向其顶部打锚杆、索，下巷顶板浅部将形成一个有效的整体，提高锚固体强度，极大改善巷道顶部支护效果。

3.2 支护参数设计

设计上巷巷道断面宽4.50 m，高2.41 ～3.00 m，下巷巷道断面宽3.50 m，高3.04 ～3.59 m，相应的支护情况如图6 所示。

图6 支护断面巷道布置Fig.6 Layout of roadway support section

（1） 上巷顶板支护。采用6 根左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为φ20 mm×2 200 mm，均使用配套托盘及标准螺母紧固，间排距为800 mm×800 mm，每根锚杆预紧力大于70 kN。锚索规格为φ17.8 mm×6 500 mm，间排距为1 600 mm，极限拉断力270 kN。

（2） 上巷侧帮支护。采用4 根左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为φ20 mm×2 200 mm，均使用配套托盘及标准螺母紧固，间排距为700 mm×700 mm，每根锚杆预紧力大于80 kN。侧帮锚索规格为φ18.9 mm×9 000 mm，间排距为900 mm×900 mm，极限拉断力270 kN。

（3） 下巷顶板支护。采用4 根左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为φ20 mm×2 200 mm，均使用配套托盘及标准螺母紧固，间排距为1 000 mm×1 000 mm，每根锚杆预紧力大于70 kN；采用锚索加强支护，规格为φ18.9 mm×6 000 mm，间排距为1 200 mm×1 200 mm，极限拉断力270 kN。

（4） 下巷煤体侧支护。采用4 根左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为φ20 mm×2 200 mm，均使用配套托盘及标准螺母紧固，间排距为800 mm×800 mm，每根锚杆预紧力大于70 kN。

（5） 下巷煤柱侧支护。采用5 根左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为φ20 mm×2 200 mm，均使用配套托盘及标准螺母紧固，间排距为800 mm×800 mm，每根锚杆预紧力大于70 kN。

4 沿空掘巷围岩控制效果

根据前文的研究成果，上巷、下巷巷道断面均采用异形，采用相邻巷道联合支护方案，选取下巷一段150 m 巷道监测其表面位移量，如图7 所示。

图7 巷道表面位移监测曲线Fig.7 Monitoring curve of roadway surface displacement

由图7 可以看出，巷道表面位移变形分为3 个阶段，在0～30 m，变形速率较大，位移增加快；在30～110 m，变形速率减缓，但巷道表面位移仍在增加；在110 m 后围岩变形速率接近于零，巷道围岩的变形接近最大值。顶板最大下沉量为144 mm，底板最大鼓起量为91 mm，两帮最大移近量为315 mm。

5 结 论

（1） “矩形- 矩形”、“矩形- 异形”、“异形- 异形”巷道下巷围岩位移变形曲线大致相同，但由于巷道断面形状的区别，“矩形- 矩形”巷道下巷围岩位移最大，顶板、底板和帮部分别为298、198、190 mm；“矩形- 异形”巷道次之，顶板、底板和帮部分别为273、190、182 mm；“异形- 异形”巷道最小，顶板、底板和帮部分别为260、183、175 mm。巷道侧向支承压力分布规律基本一致，出现两次应力峰值，“矩形- 矩形”巷道最大，“矩形- 异形”巷道次之，“异形-异形”巷道最小，第一次应力峰值分别为18、16、14 MPa，第二次应力峰值分别为32、30、26 MPa。

（2） “矩形- 矩形”、“矩形- 异形”、“异形- 异形”巷道围岩塑性区基本相同，由于巷道断面形状及尺寸区别，表现出一些差异，上巷塑性区范围呈现“矩形- 矩形”＞“异形- 异形”＞“矩形- 异形”，下巷塑性区范围呈现“异形- 异形”＞“矩形- 异形”＞“矩形- 矩形”。

（3） 选择“异形- 异形”巷道断面，相邻巷道间采用联合支护技术，选择了合理支护参数，由于相邻巷道在空间上表现为“一高一低”，相邻巷道间锚杆、索相互交叉区域可形成联合锚固区，对下巷巷道围岩控制起到较重要的作用，可限制下巷围岩的变形量。

（4） 现场监测结果表明，选择“异形- 异形”巷道和采用相邻巷道间联合支护技术是合理的，顶底板最大移近量为282 mm，两帮最大移近量为315 mm，巷道围岩控制效果好。