郭 平，沈大富

(1.重慶市能源投資集團有限公司，重慶 400061； 2.重慶工業(yè)職業(yè)技術學院 建筑工程學院，重慶 401120)

近年來，隨著我國中東部煤礦區(qū)淺部可采煤炭資源的枯竭，開采深度逐漸向深部轉移，煤層賦存地質條件越來越復雜，地應力明顯增高，瓦斯含量增大，瓦斯壓力增高，煤體強度降低且容易風化水解，均為深部煤層安全高效開采帶來了新的難題[1-4]，深部巷道的安全支護問題就是其中之一。相比淺部巷道而言，深部巷道的力學性質從脆性破壞逐漸轉變?yōu)轲に苄云茐?，變形破壞明顯加大，使深部煤層巷道維護難度急劇增大[5-10]。針對深部巷道的維護，關鍵在于支護方案的優(yōu)化選擇，然而，目前大多數(shù)深部巷道的支護往往憑借淺部巷道的支護經驗，盲目采用加密錨桿布置、噴錨網(wǎng)支護或者摩擦錨桿支護等方式，雖然在一定程度上減緩了深部巷道的變形破壞，但同時也增加了支護成本且減緩了巷道的掘進，影響了煤礦的“采—掘—抽”工程銜接部署。筆者以重慶能投集團所屬的松藻煤電公司打通一礦為研究對象，針對該礦W2710運輸巷道埋深大、圍巖強度低，巷道變形嚴重、支護成本高、掘進效率低等問題，基于礦井通風、深部巖層控制理論[11-13]提出優(yōu)化巷道支護方案，為巷道支護提供科學依據(jù)。

1 基本概況

松藻煤電公司打通一礦位于重慶市南部，緊鄰重慶市與貴州省交界處，行政屬綦江區(qū)打通鎮(zhèn)所轄。該礦現(xiàn)設計能力1.8 Mt/a，區(qū)內煤層平均傾角為8°，屬煤與瓦斯突出礦井。該礦含煤一般為8～9層，可采煤層有M6、M7、M8、M11煤等4層，間距較小，屬近距離煤層群。礦井采用斜井和豎井聯(lián)合開拓，工作面采用傾斜長壁仰斜綜合機械化開采，液壓支架支護，全部垮落法控制頂板。開采方法為采區(qū)內由近及遠開采(前進式)，工作面為后退式回采。

W2710運輸巷工作面區(qū)域開采M7煤層，該煤層埋深500 m，平均煤厚0.85 m。煤質較純，呈黑色，半亮型，性脆，煤層節(jié)理發(fā)育，頂部泥質較重。煤層中下部夾一層厚度不均的軟分層。W2710 運輸巷布置在M7煤層中，為半煤巖巷道，其頂?shù)装宥酁槟鄮r，巖性較軟弱。地質構造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，平均傾向265°，平均傾角8°。巷道位于W2708工作面以南，巷道底板標高為203～320 m，巷道采用掘進機一次性切割成巷法。煤巖層綜合柱狀圖見圖1。

圖1 煤巖層綜合柱狀圖

W2710運輸巷斷面形狀采用直墻圓弧拱，寬×高為4.10 m×3.30 m，斷面面積為13.38 m2，凈斷面積為10.30 m2。巷道目前采用錨網(wǎng)梁聯(lián)合支護，頂部采用直徑18 mm、長度2 000 mm左旋螺紋錨桿，間排距700 mm×600 mm；兩幫采用直徑16 mm、長度 1 600 mm 左旋螺紋錨桿，排間距600 mm×600 mm；金屬網(wǎng)為12#鉛絲制作的菱形金屬網(wǎng)，巷道斷面參數(shù)及支護形式見圖2?，F(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，W2710運輸巷在掘進期間，支護效果較差，圍巖變形劇烈，兩幫煤巖體片幫現(xiàn)象普遍，巷道頂?shù)装迤骄平窟_1.3 m(以巷道底鼓為主，高達1 m以上)，巷道頂部下沉量較小，約在0.2 m以內。巷道斷面整體收斂率高達40%，且圍巖變形速率暫無減緩的趨勢。

圖2 巷道斷面參數(shù)及支護方式

2 巷道支護方案設計優(yōu)化

為保證巷道能正常使用且提高斷面利用率，將原直墻圓弧拱巷道斷面改為直墻平頂圓弧拱斷面，巷道寬×高為3.90 m×3.15 m，掘進斷面面積為12.86 m2，凈斷面面積為10.97 m2，減少掘進斷面面積0.52 m2，凈斷面面積增加了0.67 m2。經驗算，優(yōu)化后的巷道斷面風速能滿足《煤礦安全規(guī)程》要求[14]。

根據(jù)礦山壓力顯現(xiàn)及深部巖層控制理論，同時結合W2710巷道目前支護存在的主要問題，初步提出了以錨桿+W鋼帶+網(wǎng)相結合為基礎的3種優(yōu)化支護方案。3種方案均采用左旋細牙螺紋錨桿；頂板均采用寬160 mm、長度為5 m、厚度為2.75 mm的W鋼帶進行加強支護；金屬網(wǎng)均采用10#鉛絲編織，網(wǎng)孔距為40 mm×40 mm。3種設計方案錨桿間排距分別為600 mm×600 mm、900 mm×900 mm、1 200 mm×1 200 mm，具體支護參數(shù)見圖3。

(a)巷道支護方案Ⅰ

3 巷道支護方案數(shù)值模擬分析

3.1 巷道模型構建

本次分析采用FLAC3D[15-16]有限差分軟件對巷道變形進行數(shù)值模擬，依照巷道設計尺寸建模，模型尺寸為22 m×20 m×8 m；巷道埋深500 m，覆巖平均重度為2.5×104N/m3；垂直應力取12.5 MPa，力學模型選用莫爾-庫侖準則。模型建立后，在兩側邊界施加水平方向的位移約束，在底面施加垂直方向的位移約束，在前后表面施加側向的位移約束，頂面施加應力邊界。

3.2 數(shù)值模擬結果分析

3.2.1 巷道圍巖水平位移分析

圍巖在水平方向的變形將導致巷道兩幫的收縮，進而引起巷道壁片幫或鋼梁的大變形。不同支護方案條件下的圍巖水平位移等值線見圖4。從圖4中可以看出，原支護方案的兩幫相對位移量達到325.0 mm，方案Ⅰ的兩幫相對位移量達266.0 mm，方案Ⅱ的兩幫相對位移量達239.0 mm，方案Ⅲ的兩幫相對位移量達291.2 mm。在水平位移控制方面，巷道支護設計方案Ⅱ優(yōu)于原支護方案、巷道支護設計方案Ⅰ和方案Ⅲ。

(a)原支護方案 (b)支護方案Ⅰ

3.2.2 巷道圍巖垂直變形分析

巷道圍巖在垂直方向的變形將引起頂?shù)装宓倪^度沉降或底鼓，進而導致頂板的離層或垮塌，該變形將導致巷內支護結構和底板軌道的大變形，是影響巷道穩(wěn)定性的重要指標[17]。巷道圍巖的垂直位移等值線見圖5。從圖5中可以看出，4種支護方案條件下的底鼓量基本相同，但頂板下沉量差異較大。原支護方案的頂?shù)装逑鄬ξ灰屏繛?78.8 mm；方案Ⅰ的頂?shù)装逑鄬ξ灰屏繛?63.8 mm；方案Ⅱ的頂?shù)装逑鄬ξ灰屏繛?62.3 mm；方案Ⅲ的頂?shù)装逑鄬ξ灰屏繛?72.7 mm。

(a)原支護方案 (b)支護方案Ⅰ

3.2.3 圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律

圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律見圖6。從圖6中可以看出，巷道在錨桿和鋼帶支護條件下，巷道表層巖體的整體性得到了明顯的提升。兩幫和頂板的破壞單元分布較為均勻，且隨著應力集中程度的增加，塑性區(qū)范圍也隨著增大。當采用原支護方案時，塑性區(qū)深度約為0.7 m；方案Ⅰ塑性區(qū)深度約為0.7 m；方案Ⅱ塑性區(qū)深度約為0.5 m；方案Ⅲ塑性區(qū)深度約為0.6 m。此外，雖然采用不同支護方案，均會引起巷道底角破壞深度的增大，但方案Ⅱ明顯優(yōu)于其他支護方案。

(a)原支護方案 (b)支護方案Ⅰ

雖然上述幾種支護方案都能一定程度阻止巷道的變形，但由于支護參數(shù)的不同，導致支護效果與支護成本差異較大，具體見表1。

表1 各支護方案效果及成本

分析表1可知，方案Ⅰ支護效果明顯優(yōu)于原方案，但二者成本基本相當，表明巷道斷面參數(shù)優(yōu)化合理；對比方案Ⅰ和方案Ⅱ可知，兩種方案的支護效果基本相同，但方案Ⅰ成本較方案Ⅱ增加約30%；對比方案Ⅱ和方案Ⅲ可知，當頂部錨桿數(shù)量少于7根時，頂板下沉量變化明顯增大，支護效果較差。W2710運輸巷道支護依靠盲目增加錨桿的數(shù)量和支護密度不能從根本上解決巷道支護問題，只有選擇合理的錨桿參數(shù)才能真正解決此問題。根據(jù)上述數(shù)值模擬結果及相關成本分析可知，方案Ⅰ和方案Ⅱ明顯優(yōu)于其他支護方案，但方案Ⅰ成本相對較高，因此選擇方案Ⅱ作為打通一礦W2710運輸巷道支護方案。

4 現(xiàn)場試驗驗證

為了驗證W2710運輸巷道支護優(yōu)化效果，在現(xiàn)場采用井字布點法分別對巷道兩幫收斂量及巷道頂?shù)装逡平窟M行觀測。優(yōu)化前后巷道變形量對比曲線見圖7。

(a)巷道頂?shù)装逡平?/p>

從圖7(a)可知，巷道頂?shù)装逡平侩S時間增加呈現(xiàn)明顯的階段性增大趨勢，優(yōu)化前后位移變化曲線具有明顯的相似性。巷道支護未優(yōu)化時，在觀測20 d內，隨著初次來壓顯現(xiàn)，巷道頂?shù)装逡平繌?0 mm 急劇增大到92.00 mm，其值占整個監(jiān)測時間內頂?shù)装逡平康?6.67%；在觀測20～60 d內，巷道頂?shù)装逡平吭龃筅厔葑兙?，巷道頂?shù)装逡平繌?2.00 mm增大到138.12 mm。巷道支護優(yōu)化后，在觀測20 d內，隨著初次來壓顯現(xiàn)，巷道頂?shù)装逡平繌? mm急劇增大到46.70 mm，其值占整個監(jiān)測時間內頂?shù)装逡平康?9.47%；在觀測20～60 d內，巷道頂?shù)装逡平吭龃筅厔葑兙?，?6.70 mm增大到 67.22 mm。對比分析優(yōu)化前后巷道頂?shù)装逡平靠芍锏乐ёo方案優(yōu)化后，巷道頂?shù)装逡平繙p小51.33%，優(yōu)化后的巷道支護方案較好地控制了巷道頂?shù)装宓淖冃巍?/p>

從圖7(b)可知，巷道兩幫變形量隨時間增加呈明顯增大趨勢。巷道支護未優(yōu)化時，在觀測60 d內，巷道兩幫變形收斂量從0 mm增大到118.90 mm，平均每天變化1.98 mm。巷道支護優(yōu)化后，在觀測60 d內，巷道兩幫變形收斂量從 0 mm 增大到59.32 mm，平均每天變化1.25 mm。對比分析優(yōu)化前后巷道兩幫收斂量可知，巷道兩幫收斂量明顯比優(yōu)化前有所減小，且增大速度比較緩和。巷道支護方案優(yōu)化后，巷道兩幫收斂量減小50.11%，優(yōu)化后的巷道支護方案較好地控制了巷道兩幫變形。

巷道支護優(yōu)化方案有效控制了W2710運輸巷道變形，巷道變形量得到了較好控制，整個巷道的圍巖變形比較緩和，提高了巷道的抗拉和抗剪應力強度，提高了巷道的穩(wěn)定性和安全性。

5 結論

針對重慶能投集團所屬松藻煤電公司打通一礦W2710運輸巷道埋深大、圍巖強度低，巷道變形嚴重、支護成本高、掘進效率低等問題，設計優(yōu)化了巷道支護方案，并進行了現(xiàn)場試驗驗證，主要結論如下：

1)針對W2710運輸巷道目前支護存在的問題，從礦井通風和深部巖層控制理論角度出發(fā)，在原有支護方案基礎上優(yōu)化了巷道斷面參數(shù)及錨桿布置參數(shù)，設計了3種新的巷道支護方案，并采用數(shù)值分析方法從位移、變形角度對比分析了不同支護方案條件下的支護效果，得到了W2710運輸巷道的優(yōu)化支護方案。

2)現(xiàn)場試驗表明，W2710運輸巷道支護方案優(yōu)化后，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?7.22 mm，相比優(yōu)化前，巷道頂?shù)装逡平繙p小51.33%；巷道兩幫變形最大收斂量為59.32 mm，相比優(yōu)化前，巷道兩幫變形收斂量減小50.11%；設計優(yōu)化的支護方案能很好地限制巷道的變形，支護優(yōu)化效果良好，且有效減少了巷道支護成本。