煤礦高應(yīng)力巷道支護(hù)方法研究

李勇紅

（同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

1 概況

永定莊煤礦8106工作面煤層平均厚度為14.38m，平均傾角為 4°，煤層比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。頂?shù)装迩闆r如表1。

表1 頂?shù)装迩闆r表

2 回采巷道圍巖控制數(shù)值模擬分析

2.1 模型構(gòu)建

通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，首先確定模型的尺寸為60m×20m×30m，在模型中間開挖巷道。在模型四周給定水平位移約束，在底部邊界給定固定位移約束，在頂部邊界給定垂直應(yīng)力。模型具體詳見圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型

根據(jù)礦井圍巖地質(zhì)條件，確定數(shù)值模擬煤巖性物理力學(xué)參數(shù)，具體詳見表2。

2.2 運(yùn)輸巷無支護(hù)狀態(tài)下數(shù)值模擬研究

以對(duì)模型頂板施加垂直應(yīng)力的形式表示巷道上覆巖層重量。上覆巖層容重取25kN/m3，側(cè)壓力系數(shù)分別取0.5～1.75進(jìn)行模擬，可以得到無支護(hù)條件下的8106工作面2106皮帶巷圍巖塑性區(qū)情況，如圖2所示。

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 無支護(hù)情況下巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍

通過對(duì)圖2分析可知，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)取值較小時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)主要存在于巷道左、右兩幫部區(qū)域。煤層為傾斜煤層，塑性區(qū)區(qū)域較大的情況存在巷道上幫，巷道下幫的塑性區(qū)范圍較小。但隨著側(cè)壓力系數(shù)的不斷變大，塑性區(qū)在巷道幫部的分布區(qū)域有所減少，而在頂?shù)装逄帲苄詤^(qū)范圍不斷變大。在側(cè)壓力系數(shù)為1的情況下，塑性區(qū)在兩幫和頂?shù)装逯械姆植挤秶疽恢隆?/p>

地測(cè)部門提供的資料，5302工作面巷道圍巖側(cè)壓力系數(shù)約為1.3。因此，5302工作面運(yùn)輸順槽的頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍約為5m，幫部塑性區(qū)范圍約為3.8m。

2.3 運(yùn)輸巷錨桿支護(hù)方案數(shù)值模擬分析

根據(jù)2106皮帶巷圍巖地質(zhì)條件，確定了三種巷道錨桿支護(hù)模擬方案，見表3和表4。

表3 頂板支護(hù)的不同方案

表4 幫部支護(hù)的不同方案

在不同的錨桿長(zhǎng)度情況下，模擬了三種支護(hù)方案的巷道圍巖垂直應(yīng)力分布情況，以錨桿長(zhǎng)度為2.2m方案進(jìn)行說明。

圖3 巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

通過對(duì)圖3的分析可知，在巷道底板沒有采取任何支護(hù)措施的情況下，底板向下的4m左右范圍存在應(yīng)力降低區(qū)，表明巷道底板存在底鼓問題。在錨桿長(zhǎng)度不斷增加的情況下，巷道圍巖中的應(yīng)力降低區(qū)范圍不斷變小，同時(shí)幫部應(yīng)力集中區(qū)域范圍也在不斷變小。錨桿長(zhǎng)度越大，巷道圍巖中的應(yīng)力集中區(qū)向幫部深處轉(zhuǎn)移，表明在錨桿支護(hù)的作用下，巷道圍巖強(qiáng)度變大，提高了圍巖的自承能力。另外可以看出，不同錨桿長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的幫部應(yīng)力集中區(qū)距巷道幫部的距離有所不同，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，兩幫應(yīng)力集中區(qū)與巷幫的距離逐漸變小。但當(dāng)錨桿長(zhǎng)度大于2.2m時(shí)，兩幫應(yīng)力集中區(qū)距巷幫的距離基本保持不變。同時(shí)，對(duì)比相同錨桿長(zhǎng)度時(shí)的三個(gè)方案可以發(fā)現(xiàn)，增加錨桿的間距，圍巖自身的強(qiáng)度沒有得到有效增強(qiáng)。對(duì)于方案3，在錨桿長(zhǎng)度為2.2m的情況下，巷道圍巖存在較大的應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)范圍也比前兩個(gè)方案的大。

利用FLAC3D軟件可以模擬不同支護(hù)方案下的巷道圍巖位移變化情況。通過模擬可以發(fā)現(xiàn)，隨著錨桿間排距的減小，巷道圍巖的移近量也逐漸變小。錨桿的長(zhǎng)度越大，巷道圍巖移近量就越小，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度超過2.2m時(shí)，巷道圍巖移近量基本保持不變。通過對(duì)比方案1和方案2可知，這兩種方案下的巷道圍巖移近量基本一致。這表明當(dāng)頂板錨桿間排距為800mm×800mm時(shí)，錨桿支護(hù)效果得到了充分發(fā)揮。對(duì)于方案3，巷道圍巖移近量比方案1和方案2大，錨桿長(zhǎng)度大于2.2m時(shí)，巷道頂板移近量均在108mm以上，這表明錨桿間排距為900mm×800mm時(shí)，巷道頂板錨桿的支護(hù)效果較差。

利用FLAC3D軟件模擬不同錨桿預(yù)緊力情況下巷道圍巖位移變化情況。當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為2.2m，模擬巷道圍巖位移量，見表5。

表5 不同預(yù)緊力巷道圍巖位移量

通過表5可知，隨著錨桿預(yù)緊力的增大，巷道圍巖位移量逐漸變小。因此，增大安裝時(shí)的錨桿預(yù)緊力，可有效控制圍巖的變形。當(dāng)預(yù)緊力超過50kN后，隨著預(yù)緊力的增加，巷道圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。因此，錨桿安裝時(shí)應(yīng)保證預(yù)緊力在50kN以上。

3 錨桿支護(hù)方案確定

通過模擬分析，方案2為合理支護(hù)方案。在8106工作面2106皮帶巷頂板支護(hù)時(shí)，采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿，規(guī)格為Ф22×2400mm，采用高強(qiáng)度、低松弛（Ⅱ級(jí)）粘結(jié)式鋼絞線錨索，規(guī)格為Ф21.8×8000mm。兩幫采用等強(qiáng)錨桿，規(guī)格為Ф22×2200mm。

4 支護(hù)效果分析

通過十字測(cè)量法測(cè)量巷道圍巖變形量。首先在巷道布置了6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即測(cè)點(diǎn)1～6，每?jī)蓚€(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔40m。對(duì)于測(cè)點(diǎn)1，巷道圍巖移近量測(cè)量結(jié)果詳見圖4。

圖4 巷道圍巖移近量

通過對(duì)圖4分析可知，在巷道底板沒有支護(hù)的情況下，巷道存在底鼓現(xiàn)象。頂?shù)装逡平恳∮趦蓭鸵平浚诒O(jiān)測(cè)36d前后，巷道變形基本趨于穩(wěn)定，巷道兩幫最大移近量約為296mm，巷道頂?shù)装遄畲笠平考s為368mm，巷道圍巖變形得到了有效控制。