张建生

（山西焦煤西山煤电西铭矿安监处，山西 太原 030052）

引言

在煤矿开采过程中，随着开采深度的不断增加，地应力的作用愈发明显，深部的岩层逐渐出现巷道变形大的现象，严重时会影响矿井的安全生产[1]，因此在矿井开采中对巷道的稳定性提出了更高的要求，针对不同地质条件的煤矿制定科学合理的巷道支护形式，使得巷道在发生大变形时能够得到有效的控制，保障矿井的安全稳定运行。目前，关于巷道围岩大变形的控制，国内外的学者提出了多种理论，国外学者主要集中在古典压力理论、塌落拱理论[2]、新奥法、能量支护理论、应力控制理论[3]等的探讨，国内学者则倾向于轴变论[4]、联合支护、围岩松动圈[5]、关键部位耦合支护、围岩强度强化、刚性梁和围岩波动型等理论，基于以上理论，衍生出了国内外常用的三种主要支护形式，分别为主动支护、被动支护和联合支护。被动支护一般采用喷射混凝土、棚架和砌体三种形式来支撑，主动支护在国内外被广泛接受，主要使用螺栓和锚杆来支撑，而联合支护是根据不同巷道的围岩变形，采用两种或两种以上支护方式共同作用，从而达到最强的支护效果，常见的有锚杆注浆网和注浆联合支护，瞄喷网、注浆和钢框架联合支护[5]。本文通过对新建1号库煤库的49709皮带巷进行实际勘验和理论分析，从而确定了最佳的支护方式，制定相应的安全技术措施以，保证施工顺利进行。

1 实验部分

1.1 49709皮带巷信息采集

在49709皮带巷施工过程中，巷道顶部压力明显，棚梁多处变形，原先的支护形式为0.6 m棚距、单棚梁支护，稳定性差，存在一定的安全隐患，因此需对支护方式进行进一步考察和优化。在模型优化中，一般选择节理作为研究对象，节理是岩体受应力作用后产生的结构面，广泛存在于岩体内，对节理自身性质、分布规律以及岩石力学参数的研究是进行围岩稳定性分析及支护方法优化的基础，此外，皮带巷断面的规格也直接影响支护方案的设计[6-7]。因此实验对49709皮带巷的断面和模型岩石进行了数据采集和准确测量。

1.2 数值模拟

采用三维离散单元法程序（3DEC），以表1的断面规格所示，分析开挖后巷道的稳定性，探讨是否满足矿井安全生产作业的条件。

表1 49709皮带巷断面规格

2 结果与讨论

基于原单棚梁支护方式，对变形巷道围岩的支护方式进行了优化，提出了双棚梁支护的方法，棚梁长3.4 m、棚腿长3.4 m，棚距0.8 m，循环进度为0.8 m，最大控顶距为1.2 m，最小控顶距0.4 m，同时明确了构顶、攀帮、撑木等具体实施条件。

1）构顶：需以破板压梁头，6根破板均匀排列，梁中心不得穿过破板，破板用木楔打牢背紧。每根破板上的固定木楔必须同方向，破板采用长为1.4 m的成品破板。

2）攀帮：每帮攀帮四道，上攀帮构木紧贴棚口，每道间隔0.8 m，攀帮须用木楔打紧背牢。

3）撑木：分别设在两梁头槽内和棚口向下1.0 m处，撑木采用长为700 mm、宽度70 mm、厚度50 mm的成品撑木，各撑木须处在同一条直线上。

4）支护中棚腿叉角为10°，柱窝为100 mm，巷道有坡度时，架棚迎山角为巷道坡度的1/5。

5）顶板必须铺设顶网加强支护，金属网规格为1.4 m×1.9 m，联网距为200 mm，搭接距为100 mm。

对49709皮带巷未支护、单棚梁支护和双棚梁支护三种支护方案进行了3DEC数值模型计算。根据开挖尺寸和裂隙网络模型建立相应的含有裂隙的巷道模型，图1为计算得到的三种支护条件下的巷道围岩破坏形式。经过对比可以看出：巷道开挖后主要存在张拉和剪切破坏，其中张拉破坏所占的比例最大。在未支护巷道中，重力作用导致巷道顶板的岩石脱落，结构面和自由面形成的块体非常不稳定，将会引起严重的安全事故，危害施工人员的生命安全；经过单棚梁支护后，巷道围岩的破坏形式发生变化，剪切破坏基本消失，存在少量的张拉破坏，巷道稳定性得到明显的改善，顶板没有出现块体脱落的现象，但在巷道底板区域出现了变形的现象，底板块体发生鼓胀，该现象将破坏巷道的已有设备，极大地增加维护成本，甚至有可能危害施工人员生命安全；而经过优化后的双棚梁支护后的巷道未出现张拉破坏区和剪切破坏区，巷道能够保持稳定状态，顶部也没有出现块体掉落和滑动的现象，整体上支护效果良好。

图1 巷道围岩破坏形式

为了更好地比较支护方案的优缺点，软件还模拟了巷道变形位移量随着开挖深度的变化趋势，图2为得到的三种支护方案的顶板累积位移变化曲线。在巷道未支护时，顶板出现较大的位移变形，最大的位移变形出现在顶板的肩部，竖直方向的顶板变形量超过2 cm，具有极高的安全风险，而且随着开挖深度的增加，巷道变形仍在加剧，顶板下沉的累积变形量甚至超过8 cm，巷道完全被破坏，因此未采取任何支护方式的巷道不具备采矿作业的条件；在单棚梁支护条件下，可以看到巷道开挖后最大变形量超过0.5 cm，随着开挖深度的增加，位移量先逐渐增大，最后保持平稳状态，整体上最大累积变形量超过1.1 cm，巷道仍然具有破坏的风险；而在双棚梁支护方案中，可以看出当巷道设置支护后，断面下沉量小于0.15 cm，变形程度处于有效控制范围内。根据顶板累积位移量变化曲线，巷道累积变形量在开挖初期有一定增加，但整体变化控制在0.15 cm以内，由于双棚梁支护作用整体巷道保持稳定。同时随着开挖深度的不断增加，位移变化量基本保持不变，因此在双棚梁作为支护时，巷道可以保持长期稳定，为矿井安全开采提供了良好的环境和条件。

图2 顶板累积位移变化曲线

3 结论

1）基于3DEC离散元模拟软件对49709皮带巷的未支护、单棚梁支护和双棚梁支护三种方案进行了数值模拟计算，确定巷道开挖后主要存在张拉和剪切两种破坏形式；

2）未支护巷道的顶板和底板均出现较大位移变形，累积变形量超过巷道安全值，顶板易发生岩石块体脱落，具有很大的安全风险，不具备采矿作业条件；对比分析单棚梁支护和双棚梁支护，单棚梁支护存在少量的张拉破坏，顶板保持稳定，但底板出现膨胀变形现象，最大累积变形量超过1.1 cm，巷道具有一定安全风险；而双棚梁支护下的顶板和底板均保持稳定，随着开挖深度的增加，仍能保持稳定状态，满足采矿作业要求。