开拓煤业含水岩层条件下31轨道巷支护技术研究

虎晓宏

(山西潞安集团 蒲县开拓煤业有限公司,山西 临汾 041206)

1 工程概况

开拓煤业31轨道巷延伸段是为将31轨道巷延伸至井田边界及以后工作面运输所掘的巷道。根据地测部门出示的资料显示，3号煤层厚度约2.2～2.4 m，有1层夹矸约0.2～0.4 m，结构较简单，属稳定可采煤层，煤层呈黑色块状，条带状和粒状结构，呈弱沥青光泽，为光亮-半光亮型煤层。顶板为细粒砂岩，底板为泥岩。31轨道巷掘进工作面水文地质条件简单，主要充水水源为顶板砂岩裂隙水，巷道掘进及使用期间，顶板淋水较严重，31轨道巷延伸段施工长度为196 m。依据开拓煤业31轨道巷以往掘进经验、支护设计及现场实际情况，在上部含水层影响下，成巷后顶板多处淋水，巷道顶板下沉量较大，局部冒顶、片帮严重，需定期进行返修，为避免31轨道巷延伸段出现此类问题，进行31轨道巷延伸段巷道支护设计。

2 含水层对巷道围岩影响分析

为掌握含水层对巷道围岩稳定性的影响，查阅相关研究文献[1-2]，巷道围岩内力学理论分析模型如图1所示，假设巷道断面为圆形，R0为半径，Rp为巷道围岩塑性破坏范围边界直径，Rw为含水层承压水影响范围半径，Pw0为原始渗透场水压。

依据渗流理论，渗透水压场Pw随与巷道中心距离r的关系：

(1)

图1 弹塑性理论分析模型

含水围岩属于两相介质，满足微分方程：

(2)

式中：α为承压水压力系数，材料不透水时α=0，透水时α=1。

围岩内任一点切向应力：

σθ=K1σr+K2(Ccotφ-αPw)

(3)

巷道表面位置r=R0，σr=Pw，代入公式(3)可得到巷道塑性区内任一点应力计算公式:

(4)

假设巷道围岩弹性破坏深度r=Rp，边界面上σrp|r=Rp，距巷道中心无限远处为原岩应力区，地应力为p，渗透水压为αPw，于是得到含水条件下弹性区岩体内应力计算公式：

(5)

在围岩内弹性区、塑性区交界处，即r=Rp，σθp=σθe，σrp=σre，并且：σrp|r=Rp=K1σrp|r=Rp+K2(Ccotφ-αPw)，巷道围岩破坏遵循摩尔-库伦准则[3]，可解得围岩塑性区半径计算公式：

(6)

从而可得到塑性区边界处应力峰值计算公式：

(7)

开拓煤业31轨道巷延伸段尺寸宽×高=5.4 m×3.6 m，外接圆半径为3.25 m，无支护条件下Pi=0，顶底板泥岩内聚力1.2 MPa，内摩擦角28°，巷道平均埋深400 m，原始水压力Pw0=4 MPa，有效水压力系数α取0.3，采用单一变量法，由公式(7)得到不同内聚力条件下，围岩内应力峰值及塑性破坏深度的变化规律如图2所示。

图2 含水条件下巷道围岩受力、破坏特征

由图2可知，含水条件下，围岩内应力峰值及塑性破坏深度明显高于同比无水条件下，随着巷道围岩内聚力的增大，有水、无水条件下，巷道围岩内应力峰值及塑性破坏深度均逐渐减小，开拓煤业31轨道巷延伸段围岩主要为泥岩，内聚力为1.2 MPa，此时，无水条件下，围岩内应力峰值23.6 MPa，有水条件下，围岩内应力峰值32.3 MPa，较无水条件下增大8.7 MPa；无水条件下，塑性区发育深度为1.91 m，有水条件下，塑性区发育深度为2.19 m，较无水条件下增大0.28 m。综上可知，含水层影响下，巷道围岩内应力集中程度提高，围岩塑性破坏深度增大，通过提高围岩内聚力，可降低围岩内应力集中程度及塑性区发育深度。

3 31轨道巷延伸段支护设计

根据含水层影响下巷道围岩破坏特点，并结合31轨道巷原有支护方式，设计其延伸段的支护，提出以下支护优化措施：①增加顶板、两帮锚杆的锚固深度和强度：无水条件下，塑性区发育深度为1.91 m，有水条件下，塑性区发育深度为2.19 m，原支护锚杆直径20 mm，长度为2.0 m，锚杆有效锚固长度较小，且在含水层对于锚固效果的弱化作用下，锚杆易失效，且锚杆强度较低，无法提供足够的预紧力来保证巷道浅部围岩的整体性，导致顶板冒顶、巷帮片帮等问题，因此优化31轨道巷延伸段顶板及两帮锚杆直径22 mm，长度为2.5 m；②合理配置锚索、锚杆：增加顶板锚杆密度，增设帮部锚索，利用锚索能够锚固在深部围岩的作用，调动深部围岩的稳定性控制巷道表面的过度变形；③巷道表面合理喷浆：巷道表面围岩在含水层作用下，弱化、软化、松散破碎更加严重，采取钢筋网喷浆支护措施，即可提升巷道浅部围岩的整体性，同样有利于发挥锚固体的残余支撑强度。

结合以上措施，开拓煤业31轨道巷具体支护参数：顶板锚杆为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，D=22 mm，长2.5 m，托板为120 mm×120 mm×8 mm的钢板钟形托板，间、排距为1.0 m，靠近肩角处锚杆间距0.6 m，与竖直方向夹角30°，顶板钢筋网选用直径6 mm的钢筋焊制，网孔规格100 mm×100 mm，用16号铁丝联结，双丝双扣，隔孔相连。组合梁直接214 mm圆钢焊制的7孔钢筋梯子梁；顶板锚索直径15.6 mm的预应力钢绞线，长度6.5 m，托板为300 mm×300 mm×12 mm的钢板钟形托板，间距为1.0 m，排距为2.0 m；帮锚杆规格型号同顶锚杆，间、排距1 m，组合梁规格D14-3-80-2 300 mm，D14 mm圆钢焊制的3孔，宽度为80 mm，长度为2 300 mm的钢筋梯子梁。顶板和两帮喷射混凝土厚度为100 mm，混凝土标号C20，铺底厚度为20 mm，混凝土标号C30。31轨道巷延伸段支护如图3所示。

4 31轨道巷联合支护技术效果模拟研究

根据开拓煤业31轨道巷延伸段具体条件，采用FLAC软件模拟含水层下巷道掘进支护[4]，一定程度上验证所设计支护的有效性和合理性，结合具体的地质条件建立三维模型，模型长(X轴)、高(Z轴)为60 m，厚(Z轴)为6 m，模型上方模拟400 m埋深，岩层平均容重取2 500 kg/m3，模型顶面设置7.5 MPa垂直向下的均布载荷，31轨道巷断面尺寸宽×高=5.4 m×3.6 m，煤层上覆岩层开启Config fluid渗流模式，采用cable单元模拟锚杆锚索，巷道围岩孔隙率为0.3，水的密度为1 000 kg/m3，巷道周边岩体内设定400 m埋深的孔隙水压力，然后巷道开挖与支护同步进行。得到含水岩层下31轨道巷延伸段围岩垂直位移、水平位移分布云图如图4所示。由图4可以看出，锚网喷联合支护作用下，顶板中部最大下沉量为133.7 mm，底板中部最大底鼓量为103 mm，两帮最大相对移近量为124 mm，巷道围岩整体变形量很小，由此可以说明，锚网喷联合支护能够有效保障巷道围岩的长期稳定。

图4 数值模拟结果

5 实地应用效果考察

开拓煤业31轨道巷延伸段采用上述支护方式掘巷期间，为考察支护质量确保巷道安全，采用十字布点法监测巷道表面变形情况，整理得到原支护方案、优化后支护方案巷道表面变形量对比如图5所示，改进后的支护方案条件下，轨道巷表面变形量均明显减小，顶板下沉量原有支护条件下达到398 mm，改进支护方案条件下为100 mm，原有支护条件下底板底鼓量达到152 mm，改进支护方案条件下为93 mm，两帮变形量也明显减小，改进支护条件下，巷道表面位移量在合理范围内，支护效果良好。

图5 31轨道巷表面变形特征

6 结 语

文章以开拓煤业31轨道巷延伸段掘进为背景，通过理论计算、数值模拟、工程应用等方法，研究含水层下巷道支护技术，得到如下结论：

1) 含水层影响下，巷道围岩内应力集中程度提高，围岩塑性破坏深度增大，通过提高围岩内聚力，可现在降低围岩内应力集中程度及塑性区发育深度。

2) 提出增加顶板、两帮锚杆的锚固深度和强度、合理配置锚索、锚杆巷道表面合理喷浆等方法优化支护方案。

3) 巷道掘进期间，顶板下沉量为100 mm，底板底鼓量93 mm，两帮移近量112 mm，采用锚网喷联合支护技术有效控制巷道表面的位移，能够保障31轨道巷延伸段的长期稳定。