大断面复合顶板硐室围岩稳定性规律及支护对策

谢永存，邹 虎

（潞安矿业（集团）有限责任公司 李村煤矿，山西 长治046000）

近年来，我国煤矿采掘设备机械化水平不断提高，整装设备趋于大型化、自动化和智能化，促使煤矿采掘工作面单产能力急剧提升[1-2]。为适应大型采掘设备的运输、安装和正常运行，以采煤工作面回采平巷为代表的巷道或硐室断面也迅速增大[1,3]。同时，煤层赋存条件也出现显著差异，尤其是中深部开采条件下，存在多层软弱夹层的复合顶板巷道比重逐渐加大。与常规尺寸巷道比较，大断面复合顶板巷道或硐室具有跨度大、采掘扰动范围广、顶板离层及弯曲下沉严重等稳定性特点，其围岩控制效果普遍较差[4-7]。为此，诸多专家学者围绕大断面复合顶板巷道或硐室的支护理论与技术，剖析复合顶板大断面巷道失稳破坏特征，研究软弱夹层分布位置和厚度等因素对巷道围岩变形的影响，提出以高强度锚网索联合支护技术、支护构件协同支护技术等新型支护方式，以及相应的施工工艺方法[1,5,8-15]。回顾有关大断面复合顶板巷道或硐室的研究成果可知，多是围绕软弱夹层分布特征对巷道围岩变形的影响展开研究，基本形成了以高强度锚网索为核心的支护技术，然而对大断面复合顶板巷道形成后，在其巷帮二次开挖大断面硐室后的围岩稳定性研究较少。因此，针对潞安集团李村煤矿2302工作面回风平巷大断面钻场的围岩条件，研究大断面复合顶板巷道掘进过程中的围岩应力和变形规律，分析巷道帮部开挖钻场后形成的大断面复合顶板空间围岩的稳定性演化特征，揭示二次扰动后大断面复合顶板硐室围岩稳定性劣化规律。

1 大断面复合顶板硐室基本条件

1.1 2302工作面回风平巷基本条件

潞安集团李村煤矿绝对瓦斯涌出量为264.84 m3/min，为高瓦斯矿井，其主采3#煤层。2302工作面回风平巷平面布置如图1，2302工作面回风巷是本工作面回采、通风、行人和运输主要通道。该巷道沿3#煤层顶板掘进，开口位于二采区1#联络巷77.7 m位置，北邻二采区1#联络巷，西邻2302工作面进风巷，东邻2303工作面回风巷，其周边均为未采区。采用EBZ230型综掘机掘进作业。2302工作面回风巷设计断面为矩形，掘进断面为25.2 m3，掘进宽度为6 000 mm，掘进高度4 200 mm。3#煤层以亮煤为主，呈块状，其厚度为4.2～5.8 m，平均4.5 m，煤层直接顶为泥岩和粉砂岩互层，基本顶为粉砂岩和细砂岩为主，直接底为泥岩和砂质泥岩，基本底为细砂岩。

图1 2302工作面回风平巷平面布置图

1.2 2302工作面回风平巷钻场基本条件

根据李村煤矿瓦斯涌出量测定结果可知，该矿为高瓦斯矿井，工作面回采之前必须配套钻场及瓦斯抽放系统。2302工作面钻场布置如图2，2302工作面回风平巷瓦斯抽放孔设置于专用钻场内。相邻钻场距离为60 m，单个钻场断面为不规则梯形，即钻场开口位置断面宽度为8.5 m、高度为4.2 m（与2302工作面回风平巷高度一致），内部边界宽度为3.3 m、高度为4.2 m，钻场深度为4.5 m。其施工方式为滞后巷道掘进工作面施工，即滞后2302工作面回风平巷掘进工作面2～5 m范围内分层开掘成形。

图2 2302工作面钻场布置图

由2302工作面回风平巷和钻场空间位置关系和施工工艺可知，钻场施工开始时，其围岩仍处于2302工作面回风平巷掘进影响期内，不仅开掘钻场的二次扰动会严重影响巷道围岩稳定性特征，同时，巷道围岩应力重分布过程也会对钻场围岩稳定过程产生显著影响。此外，在钻场掘进形成后，钻场与巷道连接，形成跨度达到10 m以上的大断面空间,大断面空间尺寸如图3，在上覆复合顶板条件下，大断面空间的稳定性易于劣化，成为典型的大断面复合顶板硐室，亟需对其稳定性特征进行深入分析。

图3 大断面空间尺寸图

2 大断面复合顶板硐室围岩稳定性特征

为了准确反映2302工作面回风平巷稳定性特征，以及钻场开挖对回风平巷的稳定性影响规律，建立长宽高均为50 m的三维数值分析模型（图4），其中，模型左右、前后4个边界设置为固定速度边界条件，底部边界为固定位移边界条件，顶部为应力边界条件，即施加12.5 MPa的均布载荷模拟上覆500 m岩层自重。

2.1 回风巷掘进过程中巷道围岩稳定性特征

图4 硐室模型图

2302工作面回风平巷掘进后，其围岩内最大主应力分布规律如图5。巷道围岩应力扰动范围达到8 m以上，其中顶板围岩应力降低范围达到13 m左右，而两帮应力降低范围为8 m左右，并在距离巷帮围岩表面10 m位置产生应力集中，应力集中系数为1.1。此外，随着巷道围岩稳定时间逐渐增加，巷道围岩应力降低范围不断增大，但其变化速率逐渐减小。在围岩应力重分布过程中，巷道围岩变形逐渐趋于稳定，回风平巷围岩变形规律如图6。其中，由于顶板为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩互层的复合顶板，其顶板中间位置弯曲下沉量达到140 mm以上，并在不同岩层接触区域产生离层现象，离层量达到10～20 mm。同时，在两帮煤体中产生显著变形，帮中为强烈变形位置，变形量达到270 mm，并随着与巷道表面距离的增加，围岩变形量逐渐减小，最终在距离巷道表面3.7 m位置，围岩变形量减小至50 mm左右。巷道底板围岩与顶帮围岩变形相比普遍较小。

图5 回风平巷围岩最大主应力分布规律

2.2 钻场开挖过程中硐室稳定性特征

图6 回风平巷围岩变形规律

待2302工作面回风平巷掘进影响稳定后开挖钻场，其形成的大断面硐室围岩最大主应力分布规律如图7。其中，巷道围岩受到钻场开挖二次扰动影响后，其顶板围岩应力扰动范围达到16 m，并且由于顶板跨度由6 m增加至10.5 m，因此距离顶板围岩表面5.5 m范围内的岩体应力减小至1.5 MPa以下。同时，靠近钻场一侧的帮部围岩内的集中应力距离巷道表面距离减小为3.6 m，而未开挖一侧的帮部内的集中应力出现在8.5 m位置，两帮应力集中系数均减小为1.07。与回风巷掘进过程中的帮部集中应力分布规律相比，硐室断面增加后其帮部集中应力与硐室围岩表面距离显著减小，致使大断面硐室的浅部围岩承受较大集中应力，造成浅部围岩变形量显著增加，钻场开挖后围岩变形规律如图8。开挖钻场一侧的帮部围岩表面变形量为180 mm左右，在距离巷道表面2 m位置，围岩变形量减小至80 mm；另一侧帮部围岩表面变形量小幅增加，变形量为273 mm。在钻场开挖及稳定过程中，顶部围岩最大下沉量仍然出现在中间位置，最大变形量为200 mm，不同岩层接触面离层量增加至30 mm。由此可知，钻场开挖产生的二次扰动会加速劣化巷道围岩稳定性，促使回风巷围岩产生强烈变形，尤其是硐室跨度增加至10.5 m后，顶部围岩的弯曲下沉和内部离层严重，同时，巷道围岩应力重分布过程也会对钻场围岩稳定过程产生显著影响。

图7 钻场开挖后围岩最大主应力分布规律

图8 钻场开挖后围岩变形规律

3 大断面复合顶板硐室支护对策

3.1 2302工作面回风平巷支护参数

2302工作面回风平巷支护断面图如图9。

图9 2302工作面回风平巷支护断面图

1）锚杆。采用杆体φ22 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，型号为超高强热处理锚杆BHRB500，长度 2 400 mm。锚固长度1 200 mm，顶部锚杆间排距800 mm×1 000 mm，帮部锚杆间排距900 mm×1 000 mm，底锚杆配合1块W钢护板支护，每孔采用MSCK2335和MSK2360树脂锚固剂各1支。锚固力不小于190 kN，预紧力矩不小于40 N·m。

2）锚杆托板。拱形高强度托板配合球形垫和减阻尼龙垫圈，规格150 mm×150 mm×10 mm。

3）网片。采用钢筋经纬网，网孔40 mm×40 mm，网与网之间采用16#铅丝绑扎，双丝双扣。

4）锚索。采用φ22 mm，1×19股高强度松弛预应力钢绞线。顶板锚索间排距1 400/1 600×2 000 mm，锚索长度7 300 mm，呈“四三”布置。每根锚索使用1支MSCK2335和2支MSK2360树脂锚固剂，初次张拉力为300 kN。

5）锚索托板。采用300 mm×300 mm×16 mm高强度可调心托板及配套锁具，承载能力大于550 kN。

6）钢筋托梁。断面φ14 mm双钢筋焊接，顶托梁全长5 850 mm，宽度110 mm，间距800 mm；帮托梁全长2 950 mm，宽度110 mm，间距900 mm。底角锚杆为W钢护板，规格为280 mm×450 mm×4 mm。

3.2 钻场支护参数

2302工作面回风平巷钻场支护断面图如图10。

图10 2302工作面回风平巷钻场支护断面图

1）加强支护。在开口位置顶板，外锁口锚索布置9根，与回风平巷锚杆采区插花布置，锚索间距为2 000 mm，内锁口锚索布置5根，间距为1 700 mm，内外锁口锚索均采用φ14双钢筋梯子梁连接。2排锚索排距为1 150 mm。采用1支CK2335和2支Z2360型树脂锚固剂锚固。

2）顶板支护。锚杆间排距为850 mm×800 mm，两肩角锚杆距帮均为250 mm，锚杆与垂线呈20°外斜布置，其余锚杆垂直顶板布置。钻场第1排锚杆距离外锁口加强支护锚索排距为750 mm。采用1支CK2335和1支Z2360型树脂锚固剂锚固。除加强支护锚索外，另布置5根锚索，间排距为1 600 mm×1 600 mm，第1排顶板锚索与锁口内加强支护锚索排距为1 600 mm，距离两帮各1 530 mm，布置3根，再往里排距1 600 mm。金属网规格为6 000 mm×1 000 mm。采用型号为φ14-5-110-2 900/5 850 mm的双筋梯子梁加强支护。

3.3 巷道及硐室围岩控制效果

巷道围岩表面位移是反映巷道围岩稳定状况的综合指标。为此，在2302工作面回风平巷内滞后掘进工作面50 m和新掘钻场内分别设置1组围岩表面位移观测站，采用十字布点法进行位移量观测。

经过60 d的跟踪观测，2302工作面回风平巷顶板下沉量为120 mm左右，两帮围岩收敛变形量为110 mm；初始观测时，顶帮围岩表面变形速度均为1.5 mm/d；待 40 d 后，围岩变形量趋于稳定，均在0.5 mm/d以下。钻场顶板下沉量为108 mm，两帮围岩收敛量在104 mm以下，待40 d后，围岩变形量趋于稳定，均在0.3 mm/d以下。上述观测结果表明，“锚杆+双层钢筋梯子梁+锚索+钢筋网”的联合支护方案有效控制大断面复合顶板硐室的围岩变形。

4 结论

1）2302工作面回风平巷掘进形成后，两帮和顶板变形量达到200 mm以上；顶板应力扰动范围达到13 m以上。

2）钻场开挖造成巷道围岩二次扰动，与回风平巷稳定性相互加速劣化，其顶板下沉量增加至300 mm，顶板应力扰动范围增加至16 m以上。

3）巷道及钻场采用“高强锚杆+双层钢筋梯子梁+锚索+钢筋网”的联合支护方案后，其围岩变形量均在120 mm以下，围岩变形速度均在0.5 mm/d，有效控制了大断面复合顶板硐室的围岩变形。