深埋軟巖巷道變形破壞機理及支護設計

余中浩 姚金濤 魏善斌

（安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

宿州朱仙莊煤礦Ⅱ836 工作面風巷屬于深埋軟巖巷道，容易產(chǎn)生頂板下沉、片幫、底鼓等變形破壞，所以其支護工作相對困難。為了保證巷道圍巖在工作時不發(fā)生失穩(wěn)破壞，必須對深埋軟巖巷道工作面開展支護設計可行性研究，研究其圍巖受到外力影響時失穩(wěn)破壞的內(nèi)在因素，并為巷道支護設計合理的方案[1-5]，以達到滿足安全使用的要求。

1 工程概況

Ⅱ836 工作面回采煤層為8 煤層，回采上限為-500.3 m，下限為-613.3 m，走向長476.3 m，可采走向長380 m，傾斜寬為168 m（平）。煤層走向135° ～155°，傾向45° ～65°，傾角15°～25°。煤層厚度8.1～12.2 m，平均厚度為10.0 m。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装逦锢砹W參數(shù)

2 深埋軟巖巷道破壞機理

2.1 深埋軟巖巷道變形主要因素

埋深較大是深埋軟巖巷道較易發(fā)生變形破壞的影響因素之一。Ⅱ836 工作面埋深500.3～613.3 m，屬于深埋巷道，巷道受上覆巖層重力、側(cè)向應力的影響較大，使得巷道更易發(fā)生較大變形而失穩(wěn)破壞。巷道直接頂（粉砂巖）和直接底（泥巖）的抗壓強度較低，符合軟巖特征，其自身強度低，導致巷道在垂直方向產(chǎn)生較大的形變，從而大大增加了巷道變形破壞程度。

2.2 深埋軟巖巷道破壞特征

深埋軟巖巷道由于其埋深較大，圍巖強度低，支護難度較大，其巷道破壞具有以下特征：

（1）深埋軟巖巷道能夠接受的應力上限較低，但由于埋深過大，在高地應力下，巷道出現(xiàn)了變形速率較快和變形量大的特征。通常當深埋軟巖巷道被挖掘出后要及時對其進行支護，避免出現(xiàn)兩幫收斂、頂板下沉、底鼓等問題。

（2）軟巖巷道底部出現(xiàn)底鼓時表明其圍巖遭到了破壞，在巷道掘進過程中，因為軟巖承壓能力低，巷道在垂直方向上變化較大，容易出現(xiàn)底鼓。

3 巷道支護設計

3.1 巷道斷面設計

3.1.1 按工作面進風量計算

（1）工作面風量計

按瓦斯涌出量計算：

以Ⅱ836 工作面為基礎，在測量瓦斯涌出量時，通過方程式計算得出瓦斯涌出量為q=5.6 m3/min，在此基礎上的瓦斯涌出出現(xiàn)了不均衡，其系數(shù)值為K=1.6，則：

按溫度計算：

工作面預計溫度為24°，風速應為1.6 m/s，則：

以S為工作面的平均斷面積進行分析時，其最大（Smax）和最?。⊿min）分別為9.5 m2和 6.5 m2。

按人數(shù)計算：

其中，N為工作面同時工作最多人數(shù)，取40 人。

根據(jù)上述計算，初選風量為Q=1200 m3/min。

風速驗算：

依據(jù)以上計算，確定Q=1200 m3/min。

（2）確定工作面巷道斷面積

按經(jīng)濟風速3.0 m/s 計算：

由于需要考慮巷道收縮量為10%，則巷道斷面不小于7.4 m2，就可以滿足通風要求。

3.1.2 根據(jù)設備運輸需要計

Ⅱ836 工作面風巷最大運輸設備為組裝后的綜放支架，外形尺寸為長×寬=6304 mm×1430 mm，考慮兩側(cè)安全間隙各500 mm，則巷道寬度為2430 mm。

3.1.3 按巷道變形計算

根據(jù)礦壓觀測，巷道收縮量為總長、寬的10%，風巷斷面為寬×高=4.8 m×3.5 m，巷道寬度收縮量480 mm，高度收縮量350 mm。

3.1.4 風巷斷面確定

根據(jù)以上計算、校核以及優(yōu)化處理，確定風巷尺寸為寬×高=4.8 m ×3.5 m。

3.2 巷道支護設計

8 煤層傾角15°～25°，一般巷道的一幫生根在巖石中，用以提高巷幫的穩(wěn)定性。同時，8 煤層是極軟特厚煤層，普氏硬度僅0.3 左右，煤層可錨性差。通過支護工藝優(yōu)化比較，決定采用36U 三心拱U 型棚支護配合鎖梁錨索、鎖腿錨索、注漿錨索支護。

3.3 巷道支護設計參數(shù)

風巷斷面為凈寬×凈高=4800 mm×3500 mm，風巷采用36U 三心拱U 型棚支護，棚距550 mm（中-中），支架間距誤差≤50 mm。在實際搭接時，可以通過兩副限位卡纜進行固定，用于固定的卡纜螺母選擇300 N·m 的扭矩。壁后固定時，可以選擇運用10#金屬網(wǎng)，再通過300 mm 的鐵背板進行配合固定。在頂端敷設雙抗網(wǎng)，用12#鐵絲隔扣鏈接。為了讓支護效果更好，通過采用22 mm×3100 mm 錨索鎖腿梁予以加固。在最上方利用兩道規(guī)格為Φ22 mm×8200 mm 錨索和一道規(guī)格為Φ25 mm×8000 mm 的注漿索來加固支護，注漿索排距為1100 mm。

風巷沿空側(cè)采用噴漿+注漿的加固方式，利用規(guī)格2500 mm 的自鉆式注漿錨桿，間排距1500 mm×1500 mm，噴厚100 mm 以上。巷道支護方案如圖1。

圖1 Ⅱ836 風巷支護斷面圖（mm）

4 支護效果分析

為了檢驗工作面巷道支護效果，在Ⅱ836 工作面風巷內(nèi)布置2 個測站（1#測站和2#測站，兩測站之間的間距為50 m）。對巷道兩幫和頂?shù)装宓囊苿泳嚯x采用 “十字布點法”進行觀察與記錄。如圖2。

圖2 十字布點法

由圖3、圖4 可知，1#測站和2#測站所觀測到的巷道位移變化規(guī)律大致相同，都呈現(xiàn)出先快速增大隨后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，在40 d 左右巷道兩幫及頂?shù)装遄冃嗡俾氏噍^于之前有所減少，巷道變形在60 d 左右達到穩(wěn)定狀態(tài)。其中，頂板變形量在140 mm 左右，兩幫收斂量在90 mm 左右，圍巖整體變形量較小，巷道支護效果良好，可以滿足巷道安全使用要求。

圖3 1#測站巷道位移變形觀測結(jié)果

圖4 2#測站巷道位移變形觀測結(jié)果

5 結(jié)論

（1）深埋軟巖巷道工作面支護困難，其主要原因是由于工作面埋深較大，垂直應力高，軟巖巷道圍巖自身強度低。

（2）采用36U 三心拱U 型棚支護配合鎖梁錨索、鎖腿錨索、注漿錨索支護，頂?shù)装遄冃瘟?40 mm左右，兩幫收斂量90 mm左右，巷道變形量較小，可以滿足巷道安全使用要求。