康守海 沈忠武 孟凡银

(1.中煤集团山西华昱能源有限公司，山西 朔州 036900；2.铁煤集团煤气开发利用公司，辽宁 调兵山 112700)

近年来，由于浅部煤炭资源的开采趋于枯竭，井田开采深度逐年递增，由于深部煤田存在较高的地应力问题，深部巷道的围岩变形破坏愈发显著。深井巷道不仅受高地应力的影响，而且还受到采掘活动引起的二次应力的叠加影响，围岩应力条件十分的复杂。近年来，由于机械化水平的大幅度提高，矿井产量规模扩大，相应的巷道断面也不断增加。大断面巷道由于巷道断面和顶板跨度较大，当支护不合理时，围岩容易发生严重变形破坏，甚至出现冒顶事件。因此，有必要针对深井大断面巷道进行变形破坏机理分析，总结其变形破坏规律，在此基础上结合数值模拟分析验证，提出合理恰当、有效控制围岩稳定性的支护方案。

1 工程概况

中煤集团山西华昱能源有限公司五家沟煤矿井田东翼的东采区一水平标高-848m，井底车场层位于13煤底板和11煤层顶板之间，西一采区系统巷道位于井底车场西北方向，层位大部分位于11-2煤层底板，围岩主要以砂质泥岩、泥岩等软岩为主，如图1所示。大巷布置在炭质泥岩中，其开挖形状为直墙半圆拱形断面，该大断面巷道跨度宽为5000mm，巷道高度为6000mm。

该大巷原有支护采用锚网索喷方式，其中锚杆采用Φ22mm×L2500mm的高强度钢筋锚杆，锚杆间排距为800mm×800mm。钢筋网为Φ6.5mm×1750mm×930mm，网孔为100mm×100mm，钢筋网搭接100mm，用双股12#（L=300mm）扎丝扎紧，每200mm一道。锚索规格Φ22×7300mm，间排距1600mm×4000mm，每排3根，喷砼厚度150mm。

图1 地层岩性柱状图

2 深井大断面巷道破坏分析

2.1 围岩变形破坏实例

通过现场井下对巷道的围岩变形破坏情况调研可知，巷道围岩变形破坏形态大致有4种，具体情况如图2所示。

图2 巷道围岩变形破坏特征

对图2中现场的矿压显现照片进行分析，由图2(a)可知，构造应力引起的侧向集中载荷使棚腿折损，大部分U型棚已下缩至极限，在卡缆处发生断裂，而且卡缆崩断现象也时有发生；由图2(b)可知，顶部集中载荷使拱顶压平，U型棚拱顶部位被压平；由图2(c)可知，部分U型棚拱顶扭曲变形，甚至撕裂，顶板下沉呈现V字形随处可见，较多地点出现顶板严重下沉甚至兜冒现象；由图2(d)可知，巷道断面呈M形状，部分巷道两帮混凝土喷层开裂，有剥落现象。

2.2 数值模拟分析

通过对现场煤岩体取样进行实验室力学测试，并以实验室测得的参数为依据建立三维FLAC3D模型，模拟分析了不同巷道宽度尺寸下围岩的应力演化规律。对数值模型进行开挖，巷道开挖尺寸分别为5m，6m和7m，相对应的巷道高度分别为4.5m，5m和5.5m，则对应的巷道横截面面积分别为 14.82m2，20.14m2和 26.24m2。

不同巷道断面尺寸下围岩中垂直和水平应力变化情况如图3、图4和图5所示。

图3 巷道宽5m、高4.5m时

图4 巷道宽6m、高5m时

图5 巷道宽7m、高5.5m时

由图可知，巷道围岩中顶板和底板垂直应力集中区域随着巷道断面的增大而增大，表明随着巷道断面的不断增大，巷道围岩在水平和竖直方向上受应力明显增大，巷道围岩更容易在较高的应力作用下发生变形破坏甚至冒顶事故。

因此，针对大断面巷道围岩中应力集中明显问题，原有的锚网索喷的支护方式对该地质条件下围岩的稳定性控制作用不明显，才出现了图2所示的围岩变形破坏形式，有必要对原有支护方式进行优化。

3 联合支护控制技术

后期大断面巷道支护采用“锚网梁＋U型钢支架+喷浆”的联合支护技术后，巷道表面喷层无开裂现象，支护结构无破断或撕裂现象，巷道围岩强度极大改善，巷道变形得到有效控制，巷道支护体系稳定性和完整性得到提高。

掘巷支护后，对巷道围岩进行了矿压观测，观测结果如图6所示。由图可知，巷道掘出后，围岩变形增长速度较快，60d后巷道表面变形基本趋于稳定，顶底板相对移近量为140～180mm，且顶板最大下沉量为100～140mm，有效地控制了巷道围岩变形。

4 结论

（1）现场矿压观测表明大断面巷道支护形式不合理、巷道围岩软弱等因素会导致大断面巷道发生不同形态的矿压显现，严重影响矿井安全生产。

（2）数值模拟分析表明巷道断面的扩大会导致巷道围岩中应力集中的增加，进而造成巷道的不稳定破坏。

（3）提出了“锚网梁＋U型钢支架+喷浆”的联合支护技术，现场矿压结果表明巷道围岩得到了有效的控制，围岩处于较高的稳定性状态。

图6 围岩变形量