深埋綜放面回風順槽支護優化分析

李 斌

（山西汾西礦業集團雙柳煤礦， 山西 柳林 033300）

1 工程概況

1.1 工作面概況

某礦井范圍煤炭資源豐富，特別是4號煤層，結構簡單，煤層厚度大，一般厚度20 m左右。402101工作面位于二盤區，工作面走向長1 328.65 m，寬179.55 m，面積238 559.107 m2，煤層底板標高在655～660 m。工作面設計為四條巷道布置，均設計為矩形斷面，分別為膠帶輸送機順槽（5.2 m×3.6 m）、回風順槽（5.2m×3.6m）、灌漿泄水巷（4.5m×3 m）、高位抽放巷（2.8 m×2.5 m）。該工作面主采4號煤層，工作面區域內煤層厚度12～15 m，煤層北厚南薄，屬特厚煤層。該工作面埋藏深度為657～665 m。

1.2 回風順槽原支護方案

402101工作面回風巷斷面尺寸寬×高=5.2 m×3.6 m，錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿（Ф22 mm×2 200 mm，間排距800 mm×800 mm）、錨索為高強低松弛預應力鋼絞線（Ф18.96 mm×7 000 mm，排列方式為矩形，間排距1 600 mm×2 400 mm）及鋼筋網聯合支護形式。

1.3 回風順槽破壞特征

由于工作面煤層厚，埋深大，存在較高的構造應力等地質因素，加之工作面采煤方法采用綜采放頂煤采煤法，工作面超前范圍內礦壓顯現劇烈，超前影響范圍大，隨著工作面的回采，回風順槽支護體系部分失效、頂板下沉大、片幫嚴重，兩幫收斂量大，順槽呈非對稱變形并且多處出現錨桿被拉斷現象，W鋼帶扭曲破壞[1-2]。

2 回風順槽加固支護方案

402101回風順槽支護的原方案基于組合拱理論進行設計，由于其依據的是地質勘察的計算參數，由于現場地質條件發生變化，特別是水平地應力大小發生變化，原來的支護方案無法滿足安全生產的需求[3]。

根據實驗室得到的煤的物理力學參數、現場的地應力分布規律、圍巖破壞規律、巷道變形、圍巖松動圈范圍等實際情況，根據組合拱理論重新設計了支護加固方案。加固支護的俯視圖如圖1所示。在原方案中每排錨桿中間交錯的打上一排錨桿，使其支護呈五花型布置，錨桿長度為2.5 m，其他支護方式均與原方案相同，如圖2所示。

圖1 新方案俯視圖（單位：mm）

圖2 加固支護斷面圖

3 加固支護方案合理性FLAC研究

錨桿支護中的很重要的作用即為主動支護作用，巖巷道徑向布置的錨桿，不僅可以限制圍巖的徑向位移，而且可以明顯增加巷道周邊的附加抗力。同時，錨桿能提高錨固區圍巖的內摩擦角，起到限制圍巖徑向位移的作用，因此錨桿支護的內加固作用可以使圍巖變形減小，同時也大大提高了圍巖的自承能力。

3.1 模擬工況

本節通過建立與實際工程條件相應的模型，對加固支護方案的合理性進行評價擬，工況為錨索材料為Ф18.96 mm×7 000 mm鋼絞線，間排距為1 600 mm×2 400 mm；頂錨桿采用Ф22 mm×2 200 mm左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；幫錨桿采用Ф22 mm×2 200 mm左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；新加頂錨桿采用Ф22 mm×2 500 mm左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm。

3.2 計算模型范圍的確定

402101工作面走向長1 328.65 m，煤層底板標高655～660 m。根據某煤礦綜合柱狀圖，402101工作面埋深約為655 m，為了適當簡化計算模型，將402101工作面以上620 m的巖層轉換為自重應力施加在計算模型的上表面。將巖層適當簡化歸類，得到402101工作面簡化自重應力。

按照圣維南原理，其影響范圍仍有一定的限度。本次模擬模型取定為長×寬×高=208 m×395 m×75 m，巷道斷面為寬×高=5.2 m×3.6 m。模型的選取以402101回風順槽右下角為零點而建立，沿x軸正向240 m，沿x軸負向20 m；沿y軸正向180 m，沿y軸負向180 m；沿z軸正向66 m，沿z軸負向26 m作為模型邊界。

3.3 模擬結果分析

3.3.1 豎向位移分析

由圖3可知，新加錨桿長度2.5 m的豎向位移云圖，頂板最大下沉量為22.304 mm，底鼓量為19.211 mm。回采過程中，巷道頂板產生下沉，且頂板中間處下沉量最大，底板出現底鼓。

3.3.2 水平位移分析

由圖4可知，回采過程中，巷道兩幫發生收斂，且兩幫收斂最大收斂量發生于巷道兩幫中間。

由以上分析可知，加固支護方案實施后，順槽頂板下沉量、底鼓量、巷道兩幫收斂量范圍均滿足安全生產的需要。新設計的加固支護方案合理可行。

圖3 新加錨桿長度2.5 m豎向位移（m）云圖

圖4 新加錨桿長度2.5 m水平位移（m）云圖

4 加固支護方案監測分析

402101工作面回風順槽加固支護方案實施后，對回采過程中回風順槽的支護效果進行了監測與分析，以便及時掌握回風順槽圍巖變形規律，以及評價加固后支護方案能否滿足402101工作面的正常安全生產[4-5]。

4.1 監測結果分析

4.1.1 頂板離層監測結果分析

由圖5可知，隨工作面切眼距監測斷面距離逐漸減小。頂板離層主要集中在1.0 m以下。1.5～2.5 m區段頂板離層量不大。2.5 m以上頂板離層量相對較小，說明該支護方案錨桿對淺部圍巖加固效果良好，錨索對深部圍巖加固效果顯著。

圖5 不同巖層深度下402101回順頂板離層監測曲線圖

4.1.2 兩幫收斂及頂板下沉監測結果分析

由圖6可知，隨著工作面的回采，切眼距監測斷面距離逐漸減小，工作面切眼距監測斷面50～12 m范圍內，兩幫收斂量及頂板下沉量增加幅度不大。當動作面切眼與監測斷面距離小于12 m后，兩幫收斂量及頂板下沉量增加幅度變大。最終收斂量為35.4 mm，頂板下沉量為35.1 mm。頂板下沉量與兩幫收斂量相差不大，且均變化不大，巷道穩定。

4.2 支護效果比較

圖6 兩幫收斂及頂板下沉監測曲線圖

加固支護方案實施后，在工作面回采期間，巷道兩幫收斂以及頂板下沉得到了很好的控制，片幫現象很少出現，沒有錨桿或者錨索被拉斷現象出現。與此相反，原方案則頂板下沉嚴重，網兜現象明顯，巷道兩幫收斂量較大，并伴有錨桿被拉斷現象。由此可見，加固后的支護方案很好地控制了巷道圍巖變形，保證了正常安全生產。

5 結論

1）運用組合拱理論，結合實測的煤體的力學參數和圍巖松動圈分布規律，針對順槽支護效果較差段提出了加固支護方案，運用FLAC數值模擬對加固支護方案進行了合理性論證，FLAC數值模擬表明，提出的加固支護方案合理。

2）制定了402101工作面回風順槽圍巖變形監測方案，完成了新的加固支護方案實施后的現場監測工作。結果表明，加固支護方案下，巷道頂板離層量明顯減小，兩幫收斂及頂板下沉也均較原方案小，頂板未出現變形破壞現象，片幫現象很少出現。說明該方案對圍巖變形起到了很好的控制作用