五陽(yáng)煤礦7603孤島工作面巷道圍巖控制技術(shù)研究

楊 丁

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 屯蘭礦，山西 古交 030200)

孤島工作面受相鄰工作面回采動(dòng)壓影響，煤體變得較為破碎，支護(hù)難度較大，而巷道圍巖又受到本工作面采動(dòng)影響，巷道礦壓顯現(xiàn)較掘進(jìn)期間更加劇烈。孤島工作面應(yīng)力集中，圍巖變形嚴(yán)重，并能產(chǎn)生沖擊地壓[1-4]，對(duì)工作面安全開(kāi)采造成危害，有必要對(duì)孤島工作面巷道圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究。馮宇、姜福興[5-6]等通過(guò)分析孤島工作面頂板應(yīng)力傳遞機(jī)制判斷工作面開(kāi)采的可行性；華心祝、張煒[7-8]等通過(guò)數(shù)值模擬軟件分析支承壓力選擇巷道的支護(hù)技術(shù)。本文以五陽(yáng)煤礦7603孤島工作面開(kāi)采為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬等方法對(duì)7603運(yùn)輸巷的圍巖控制技術(shù)以及支護(hù)方案進(jìn)行研究。

1 工程概況

五陽(yáng)煤礦7603工作面位于76 采區(qū)，工作面埋深為429～514 m，工作面位于3#煤層，該煤層平均厚度為6.16 m，煤層傾角為3°～15°，平均為7°，工作面位置示意圖見(jiàn)圖1. 目前，工作面兩側(cè)的7605以及7601工作面均已經(jīng)回采完畢，工作面屬于孤島工作面，7603運(yùn)輸巷靠近7605工作面，保護(hù)煤柱尺寸為30 m. 巷道斷面形狀為倒梯形，巷道寬度為5.5 m，兩幫的長(zhǎng)度分別為4.2 m和3.5 m. 巷道頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖以及泥砂巖互層，底板多為泥巖以及砂巖，巷道頂?shù)装迕簬r體力學(xué)參數(shù)表見(jiàn)表1. 巷道在掘進(jìn)過(guò)程受相鄰工作面動(dòng)壓影響，巷道兩幫變形較大，部分地段底鼓嚴(yán)重。

圖1 7603工作面位置示意圖

2 7603運(yùn)輸巷支護(hù)問(wèn)題與設(shè)計(jì)方法

2.1 巷道支護(hù)存在的問(wèn)題

1) 7603運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)程中，巷道頂板較為完整，下沉及變形量均較小，局部地段底板鼓起嚴(yán)重，而巷道兩幫變形嚴(yán)重。

2) 巷道支護(hù)缺乏聯(lián)接，支護(hù)整體性效果較差，巷道幫頂?shù)讻](méi)有形成同控體系，巷幫支護(hù)沒(méi)有充分調(diào)動(dòng)頂板的承載力。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)表

3) 巷道錨桿、錨索沒(méi)有形成協(xié)調(diào)支護(hù)，錨桿、錨索沒(méi)有傾斜安裝。

2.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)思路

通過(guò)分析巷道支護(hù)存在的問(wèn)題，巷道支護(hù)的技術(shù)思路如下：

1) 采用高強(qiáng)錨桿、錨網(wǎng)梁組合支護(hù)，特別是巷道的圍巖穩(wěn)定性較差時(shí)，適當(dāng)加強(qiáng)梁、網(wǎng)的強(qiáng)度及韌性，以形成高強(qiáng)錨固體系，以適應(yīng)巷道圍巖的劇烈變形，并根據(jù)應(yīng)力大小，選擇加長(zhǎng)錨固或全長(zhǎng)錨固方式。

2) 采用科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，確定合理的錨桿支護(hù)參數(shù)。采用數(shù)值模擬的方法分析不同參數(shù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，開(kāi)展多方案選優(yōu)，并與巷道初期施工信息反饋相結(jié)合，以確定巷道合理的支護(hù)方法。

3) 增加錨桿、錨索之間的聯(lián)接，使巷道支護(hù)形成一個(gè)整體，避免局部應(yīng)力較大，使單個(gè)支護(hù)體失效，進(jìn)而破壞整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)。另外，巷幫錨桿傾斜安裝，使巷道幫頂?shù)仔纬梢粋€(gè)整體，共同應(yīng)對(duì)巷道圍巖變形。

3 巷道支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬分析

根據(jù)五陽(yáng)煤礦7603運(yùn)輸巷的工程地質(zhì)條件，建立模型(見(jiàn)圖2).模擬埋深約460 m，模型尺寸為長(zhǎng)230 m×寬120 m×高160 m，模型4個(gè)側(cè)面為水平移動(dòng)邊界，底部為固定邊界，模型共劃分450 560個(gè)單元和473 387個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中采空區(qū)模擬尺寸長(zhǎng)100 m×寬120 m×高6 m，模型力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

圖2 數(shù)值計(jì)算模型圖

3.1 模擬方案

本次模擬所用參數(shù)以巷道原支護(hù)參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行正交模擬，對(duì)相關(guān)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：

1) 當(dāng)錨桿間排距為900 mm×900 mm、錨索長(zhǎng)度7 300 mm、錨桿(索)垂直安裝時(shí)，模擬錨桿長(zhǎng)度分別為2.0 m、2.2 m、2.4 m、2.6 m、2.8 m時(shí)巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。

2) 當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為2.4 m、錨索長(zhǎng)度7 300 mm、錨桿(索)垂直安裝時(shí)，模擬錨桿間排距為800 mm×800 mm、900 mm×900 mm、1 000 mm×1 000 mm、1 100 mm×1 100 mm四種情況下巷道圍巖變形規(guī)律。

3) 當(dāng)錨桿間排距為900 mm×900 mm、長(zhǎng)度為2.4 m、錨索長(zhǎng)度7 300 mm、錨桿(索)垂直安裝時(shí)，模擬頂板錨索按“323”五花布置和“303”布置下巷道圍巖變形規(guī)律。

4) 當(dāng)錨桿間排距為900 mm×900 mm、長(zhǎng)度為2.4 m、錨索長(zhǎng)度7 300 mm時(shí)，模擬巷道兩幫錨桿錨索垂直巷幫布置和錨桿錨索分別向上下傾斜5°、10°、15°四種情況下，巷道圍巖變形規(guī)律。

3.2 錨桿長(zhǎng)度模擬結(jié)果分析

不同錨桿長(zhǎng)度巷道圍巖變形云圖見(jiàn)圖3.由圖3可得，當(dāng)錨桿的長(zhǎng)度從2.0 m增加到2.4 m，頂板下沉量減小了8.3 mm，窄煤柱幫移近量減小30.0 mm，實(shí)體煤幫移近量減小21.4 mm，底鼓量基本不變，再增加錨桿長(zhǎng)度到2.8 m，巷道圍巖變形基本不變。因此，考慮控制巷道圍巖變形，確定幫錨桿長(zhǎng)度為2.4 m.

圖3 不同錨桿長(zhǎng)度巷道圍巖變形云圖

3.3 錨桿間排距的模擬結(jié)果分析

不同錨桿間排距巷道圍巖變形云圖見(jiàn)圖4.由圖4可得，當(dāng)間排距為1 100 mm時(shí)巷道最大變形量為

215.1 mm，而間排距為900 mm和800 mm時(shí)巷道最大變形量分別為137.6 mm和120.3 mm，說(shuō)明錨桿間距減小巷道變形得到有效控制，但是錨桿間排距過(guò)分增大也不利于提高巷道的穩(wěn)定性。因此，合理的錨桿間排距為800～1 000 mm.

3.4 錨索布置方式的模擬結(jié)果分析

不同錨索布置方式巷道水平位移云圖間圖5.從圖5可得，“323”布置方式和“303”布置方式兩者比較，前者對(duì)控制巷道圍巖變形尤其是頂板變形效果更好，但是優(yōu)勢(shì)并不明顯。考慮到7603孤島工作面運(yùn)輸順槽主要是兩幫變形和底鼓量較大，頂板變形較小，頂板錨索采用“323”布置方式增加了巷道維護(hù)成本，而且造成頂板圍巖破碎不利于圍巖的控制，綜合考慮建議頂板錨索使用“303”的布置方式控制巷道的頂板變形。

圖4 不同錨桿間排距巷道圍巖變形云圖

圖5 不同錨索布置方式巷道水平位移云圖

3.5 幫錨桿錨索角度的模擬結(jié)果分析

根據(jù)支護(hù)整體性控制原則，幫部錨桿(索)傾斜安裝，使其桿體尾部錨固在巷道頂?shù)装澹赏辛菏鬼敯逯ёo(hù)以及巷幫形成一個(gè)整體，共同控制巷道圍巖變形。不同傾角下巷道水平位移云圖見(jiàn)圖6.由圖6可得，隨著傾角的增大，巷道的水平位移量逐漸減小，其中煤柱側(cè)巷幫變形量分別為192.2 mm、158.3 mm、107.8 mm、90.1 mm，而實(shí)體煤側(cè)變形量為86.5 mm、74.7 mm、55.2 mm、46.5 mm. 煤柱側(cè)巷道變形量減小明顯，15°時(shí)巷道變形量為0°時(shí)的47.4%，而實(shí)體煤側(cè)略小，為53.7%. 綜合考慮巷道的支護(hù)效果和施工成本及難易程度，建議7603孤島工作面運(yùn)輸順槽的幫錨桿錨索的傾角為10°較為合理。

圖6 不同傾角下巷道水平位移云圖

4 巷道支護(hù)方案及支護(hù)效果

4.1 巷道圍巖控制方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到了巷道錨桿長(zhǎng)度、間排距、錨索布置方式以及幫錨桿(索)的安裝角度，具體的設(shè)計(jì)方案如下：

1) 頂板支護(hù)。

頂錨桿為左旋無(wú)縱筋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，規(guī)格為d22 mm×2 400 mm，每排7根錨桿，間排距為850 mm×900 mm，預(yù)緊扭矩為400 N·m，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，藥卷規(guī)格為K2335和Z2350各1卷，頂板配以雙鋼筋梯子梁和金屬網(wǎng)作為輔助支護(hù)，梯子梁采用d16 mm的鋼筋自行制作，長(zhǎng)度為5 500 mm；金屬網(wǎng)采用8#鉛絲編制的經(jīng)緯網(wǎng)或者菱形網(wǎng)，頂板金屬網(wǎng)規(guī)格為5 500 mm×1 000 mm. 錨索規(guī)格為d22 mm×7 300 mm，布置方式為“3-0-3”，間排距為1 600 mm×1 800 mm，采用1支K2335和2支Z2360樹(shù)脂錨固劑錨固，理論錨固長(zhǎng)度約為1.97 m，錨索預(yù)緊力不小于300 kN.

2) 巷幫支護(hù)。

幫錨桿為左旋無(wú)縱筋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，規(guī)格為d22 mm×2 400 mm，上幫5根錨桿，間距950 mm，下幫4根錨桿，間距為1 000 mm，錨桿排距為900 mm，預(yù)緊扭矩為400 N·m，錨固方式同頂錨桿。梯子梁采用d16 mm的鋼筋自行制作，上幫長(zhǎng)度為4 100 mm，下幫長(zhǎng)度為3 500 mm. 金屬網(wǎng)采用8#鉛絲編制的經(jīng)緯網(wǎng)或者菱形網(wǎng)，上幫金屬網(wǎng)規(guī)格為4 100 mm×1 000 mm，下幫金屬網(wǎng)規(guī)格為3 500 mm×1 000 mm. 錨索安裝在煤柱側(cè)，長(zhǎng)度為5 300 mm，每排兩根錨索，間排距為1 800 mm×1 800 mm，上部錨索距頂板1 000 mm，向上傾斜10°布置，下部錨索距底板700 mm，向下傾斜10°布置，錨固方式與預(yù)緊力同頂錨索。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證巷道支護(hù)質(zhì)量，對(duì)7603運(yùn)輸巷表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，巷道頂板最大移近量為385 mm，兩幫最大移近量為577 mm，頂板及兩幫變形均處于巷道錨桿、錨索延伸率允許變形范圍之內(nèi)，巷道支護(hù)效果見(jiàn)圖7. 巷道采用原支護(hù)方案變形量較大，部分地段兩幫變形量將近1 000 mm，錨桿、

錨索損耗嚴(yán)重。總體來(lái)看，新支護(hù)方案有效地控制了7603運(yùn)輸巷圍巖有害變形，確保了巷道的安全穩(wěn)定，保證了礦井的正常生產(chǎn)。

圖7 巷道支護(hù)效果圖

5 結(jié) 論

1) 分析了五陽(yáng)煤礦7603運(yùn)輸巷支護(hù)存在的問(wèn)題，得到了巷道支護(hù)缺乏整體性，巷道兩幫變形較大，部分地段底鼓嚴(yán)重，并提出了采用高強(qiáng)錨桿、錨網(wǎng)梁組合支護(hù)以及幫頂?shù)淄貒鷰r變形的支護(hù)方法。

2) 采用了FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬，得到不同錨桿長(zhǎng)度、錨桿間排距、錨索布置方式以及錨桿(索)安裝角度條件下，巷道圍巖變形規(guī)律。根據(jù)模擬結(jié)果，選取巷道最優(yōu)支護(hù)參數(shù)。

3) 根據(jù)孤島工作面巷道圍巖控制方法和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)五陽(yáng)礦7603運(yùn)輸巷圍巖控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，巷道頂板最大移近量為385 mm，兩幫最大移近量為577 mm，該方案較好控制了巷道圍巖變形，保證了巷道安全穩(wěn)定。