康守海 沈忠武 孟凡銀

(1.中煤集團山西華昱能源有限公司，山西 朔州 036900；2.鐵煤集團煤氣開發(fā)利用公司，遼寧 調兵山 112700)

近年來，由于淺部煤炭資源的開采趨于枯竭，井田開采深度逐年遞增，由于深部煤田存在較高的地應力問題，深部巷道的圍巖變形破壞愈發(fā)顯著。深井巷道不僅受高地應力的影響，而且還受到采掘活動引起的二次應力的疊加影響，圍巖應力條件十分的復雜。近年來，由于機械化水平的大幅度提高，礦井產量規(guī)模擴大，相應的巷道斷面也不斷增加。大斷面巷道由于巷道斷面和頂板跨度較大，當支護不合理時，圍巖容易發(fā)生嚴重變形破壞，甚至出現(xiàn)冒頂事件。因此，有必要針對深井大斷面巷道進行變形破壞機理分析，總結其變形破壞規(guī)律，在此基礎上結合數(shù)值模擬分析驗證，提出合理恰當、有效控制圍巖穩(wěn)定性的支護方案。

1 工程概況

中煤集團山西華昱能源有限公司五家溝煤礦井田東翼的東采區(qū)一水平標高-848m，井底車場層位于13煤底板和11煤層頂板之間，西一采區(qū)系統(tǒng)巷道位于井底車場西北方向，層位大部分位于11-2煤層底板，圍巖主要以砂質泥巖、泥巖等軟巖為主，如圖1所示。大巷布置在炭質泥巖中，其開挖形狀為直墻半圓拱形斷面，該大斷面巷道跨度寬為5000mm，巷道高度為6000mm。

該大巷原有支護采用錨網索噴方式，其中錨桿采用Φ22mm×L2500mm的高強度鋼筋錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm。鋼筋網為Φ6.5mm×1750mm×930mm，網孔為100mm×100mm，鋼筋網搭接100mm，用雙股12#（L=300mm）扎絲扎緊，每200mm一道。錨索規(guī)格Φ22×7300mm，間排距1600mm×4000mm，每排3根，噴砼厚度150mm。

圖1 地層巖性柱狀圖

2 深井大斷面巷道破壞分析

2.1 圍巖變形破壞實例

通過現(xiàn)場井下對巷道的圍巖變形破壞情況調研可知，巷道圍巖變形破壞形態(tài)大致有4種，具體情況如圖2所示。

圖2 巷道圍巖變形破壞特征

對圖2中現(xiàn)場的礦壓顯現(xiàn)照片進行分析，由圖2(a)可知，構造應力引起的側向集中載荷使棚腿折損，大部分U型棚已下縮至極限，在卡纜處發(fā)生斷裂，而且卡纜崩斷現(xiàn)象也時有發(fā)生；由圖2(b)可知，頂部集中載荷使拱頂壓平，U型棚拱頂部位被壓平；由圖2(c)可知，部分U型棚拱頂扭曲變形，甚至撕裂，頂板下沉呈現(xiàn)V字形隨處可見，較多地點出現(xiàn)頂板嚴重下沉甚至兜冒現(xiàn)象；由圖2(d)可知，巷道斷面呈M形狀，部分巷道兩幫混凝土噴層開裂，有剝落現(xiàn)象。

2.2 數(shù)值模擬分析

通過對現(xiàn)場煤巖體取樣進行實驗室力學測試，并以實驗室測得的參數(shù)為依據建立三維FLAC3D模型，模擬分析了不同巷道寬度尺寸下圍巖的應力演化規(guī)律。對數(shù)值模型進行開挖，巷道開挖尺寸分別為5m，6m和7m，相對應的巷道高度分別為4.5m，5m和5.5m，則對應的巷道橫截面面積分別為 14.82m2，20.14m2和 26.24m2。

不同巷道斷面尺寸下圍巖中垂直和水平應力變化情況如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 巷道寬5m、高4.5m時

圖4 巷道寬6m、高5m時

圖5 巷道寬7m、高5.5m時

由圖可知，巷道圍巖中頂板和底板垂直應力集中區(qū)域隨著巷道斷面的增大而增大，表明隨著巷道斷面的不斷增大，巷道圍巖在水平和豎直方向上受應力明顯增大，巷道圍巖更容易在較高的應力作用下發(fā)生變形破壞甚至冒頂事故。

因此，針對大斷面巷道圍巖中應力集中明顯問題，原有的錨網索噴的支護方式對該地質條件下圍巖的穩(wěn)定性控制作用不明顯，才出現(xiàn)了圖2所示的圍巖變形破壞形式，有必要對原有支護方式進行優(yōu)化。

3 聯(lián)合支護控制技術

后期大斷面巷道支護采用“錨網梁＋U型鋼支架+噴漿”的聯(lián)合支護技術后，巷道表面噴層無開裂現(xiàn)象，支護結構無破斷或撕裂現(xiàn)象，巷道圍巖強度極大改善，巷道變形得到有效控制，巷道支護體系穩(wěn)定性和完整性得到提高。

掘巷支護后，對巷道圍巖進行了礦壓觀測，觀測結果如圖6所示。由圖可知，巷道掘出后，圍巖變形增長速度較快，60d后巷道表面變形基本趨于穩(wěn)定，頂?shù)装逑鄬σ平繛?40～180mm，且頂板最大下沉量為100～140mm，有效地控制了巷道圍巖變形。

4 結論

（1）現(xiàn)場礦壓觀測表明大斷面巷道支護形式不合理、巷道圍巖軟弱等因素會導致大斷面巷道發(fā)生不同形態(tài)的礦壓顯現(xiàn)，嚴重影響礦井安全生產。

（2）數(shù)值模擬分析表明巷道斷面的擴大會導致巷道圍巖中應力集中的增加，進而造成巷道的不穩(wěn)定破壞。

（3）提出了“錨網梁＋U型鋼支架+噴漿”的聯(lián)合支護技術，現(xiàn)場礦壓結果表明巷道圍巖得到了有效的控制，圍巖處于較高的穩(wěn)定性狀態(tài)。

圖6 圍巖變形量