深埋软岩巷道变形破坏机理及支护设计

余中浩 姚金涛 魏善斌

（安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

宿州朱仙庄煤矿Ⅱ836 工作面风巷属于深埋软岩巷道，容易产生顶板下沉、片帮、底鼓等变形破坏，所以其支护工作相对困难。为了保证巷道围岩在工作时不发生失稳破坏，必须对深埋软岩巷道工作面开展支护设计可行性研究，研究其围岩受到外力影响时失稳破坏的内在因素，并为巷道支护设计合理的方案[1-5]，以达到满足安全使用的要求。

1 工程概况

Ⅱ836 工作面回采煤层为8 煤层，回采上限为-500.3 m，下限为-613.3 m，走向长476.3 m，可采走向长380 m，倾斜宽为168 m（平）。煤层走向135° ～155°，倾向45° ～65°，倾角15°～25°。煤层厚度8.1～12.2 m，平均厚度为10.0 m。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板物理力学参数

2 深埋软岩巷道破坏机理

2.1 深埋软岩巷道变形主要因素

埋深较大是深埋软岩巷道较易发生变形破坏的影响因素之一。Ⅱ836 工作面埋深500.3～613.3 m，属于深埋巷道，巷道受上覆岩层重力、侧向应力的影响较大，使得巷道更易发生较大变形而失稳破坏。巷道直接顶（粉砂岩）和直接底（泥岩）的抗压强度较低，符合软岩特征，其自身强度低，导致巷道在垂直方向产生较大的形变，从而大大增加了巷道变形破坏程度。

2.2 深埋软岩巷道破坏特征

深埋软岩巷道由于其埋深较大，围岩强度低，支护难度较大，其巷道破坏具有以下特征：

（1）深埋软岩巷道能够接受的应力上限较低，但由于埋深过大，在高地应力下，巷道出现了变形速率较快和变形量大的特征。通常当深埋软岩巷道被挖掘出后要及时对其进行支护，避免出现两帮收敛、顶板下沉、底鼓等问题。

（2）软岩巷道底部出现底鼓时表明其围岩遭到了破坏，在巷道掘进过程中，因为软岩承压能力低，巷道在垂直方向上变化较大，容易出现底鼓。

3 巷道支护设计

3.1 巷道断面设计

3.1.1 按工作面进风量计算

（1）工作面风量计

按瓦斯涌出量计算：

以Ⅱ836 工作面为基础，在测量瓦斯涌出量时，通过方程式计算得出瓦斯涌出量为q=5.6 m3/min，在此基础上的瓦斯涌出出现了不均衡，其系数值为K=1.6，则：

按温度计算：

工作面预计温度为24°，风速应为1.6 m/s，则：

以S为工作面的平均断面积进行分析时，其最大（Smax）和最小（Smin）分别为9.5 m2和 6.5 m2。

按人数计算：

其中，N为工作面同时工作最多人数，取40 人。

根据上述计算，初选风量为Q=1200 m3/min。

风速验算：

依据以上计算，确定Q=1200 m3/min。

（2）确定工作面巷道断面积

按经济风速3.0 m/s 计算：

由于需要考虑巷道收缩量为10%，则巷道断面不小于7.4 m2，就可以满足通风要求。

3.1.2 根据设备运输需要计

Ⅱ836 工作面风巷最大运输设备为组装后的综放支架，外形尺寸为长×宽=6304 mm×1430 mm，考虑两侧安全间隙各500 mm，则巷道宽度为2430 mm。

3.1.3 按巷道变形计算

根据矿压观测，巷道收缩量为总长、宽的10%，风巷断面为宽×高=4.8 m×3.5 m，巷道宽度收缩量480 mm，高度收缩量350 mm。

3.1.4 风巷断面确定

根据以上计算、校核以及优化处理，确定风巷尺寸为宽×高=4.8 m ×3.5 m。

3.2 巷道支护设计

8 煤层倾角15°～25°，一般巷道的一帮生根在岩石中，用以提高巷帮的稳定性。同时，8 煤层是极软特厚煤层，普氏硬度仅0.3 左右，煤层可锚性差。通过支护工艺优化比较，决定采用36U 三心拱U 型棚支护配合锁梁锚索、锁腿锚索、注浆锚索支护。

3.3 巷道支护设计参数

风巷断面为净宽×净高=4800 mm×3500 mm，风巷采用36U 三心拱U 型棚支护，棚距550 mm（中-中），支架间距误差≤50 mm。在实际搭接时，可以通过两副限位卡缆进行固定，用于固定的卡缆螺母选择300 N·m 的扭矩。壁后固定时，可以选择运用10#金属网，再通过300 mm 的铁背板进行配合固定。在顶端敷设双抗网，用12#铁丝隔扣链接。为了让支护效果更好，通过采用22 mm×3100 mm 锚索锁腿梁予以加固。在最上方利用两道规格为Φ22 mm×8200 mm 锚索和一道规格为Φ25 mm×8000 mm 的注浆索来加固支护，注浆索排距为1100 mm。

风巷沿空侧采用喷浆+注浆的加固方式，利用规格2500 mm 的自钻式注浆锚杆，间排距1500 mm×1500 mm，喷厚100 mm 以上。巷道支护方案如图1。

图1 Ⅱ836 风巷支护断面图（mm）

4 支护效果分析

为了检验工作面巷道支护效果，在Ⅱ836 工作面风巷内布置2 个测站（1#测站和2#测站，两测站之间的间距为50 m）。对巷道两帮和顶底板的移动距离采用 “十字布点法”进行观察与记录。如图2。

图2 十字布点法

由图3、图4 可知，1#测站和2#测站所观测到的巷道位移变化规律大致相同，都呈现出先快速增大随后趋于稳定的变化趋势，在40 d 左右巷道两帮及顶底板变形速率相较于之前有所减少，巷道变形在60 d 左右达到稳定状态。其中，顶板变形量在140 mm 左右，两帮收敛量在90 mm 左右，围岩整体变形量较小，巷道支护效果良好，可以满足巷道安全使用要求。

图3 1#测站巷道位移变形观测结果

图4 2#测站巷道位移变形观测结果

5 结论

（1）深埋软岩巷道工作面支护困难，其主要原因是由于工作面埋深较大，垂直应力高，软岩巷道围岩自身强度低。

（2）采用36U 三心拱U 型棚支护配合锁梁锚索、锁腿锚索、注浆锚索支护，顶底板变形量140 mm左右，两帮收敛量90 mm左右，巷道变形量较小，可以满足巷道安全使用要求。