東曲礦回采巷道支護技術研究

張 睿

（西山煤電(集團)有限責任公司安監局，山西 太原 030053）

隨著經濟的發展，我國煤炭資源總量逐漸減小，這導致煤炭開采逐漸向深部發展[1]，隨之而來出現許多問題，回采工作面巷道圍巖的控制問題是工作面實現安全生產的關鍵[2-3]，由于我國各煤礦地質條件千差萬別，因此，不同煤礦回采工作面的回采巷道圍巖變形問題復雜多變[4-5]。

東曲礦煤層埋深較大，工作面回采巷道在掘進時期，圍巖變形量大，當工作面回采時，巷道變形劇烈，圍巖變形呈非對稱性且與時間有關，如何有效控制巷道圍巖變形，實現高產高效化生產是東曲礦目前面臨的主要問題。因此，本文對東曲煤礦巷道支護參數進行研究。

1 工程概況

東曲礦隸屬于西山煤電集團，煤礦位于山西省古交市，煤礦開采煤層為9#煤層，煤層厚度為2.20～3.13m，平均厚度為2.7m，屬于中厚煤層，煤層傾角為1°～8°，平均為5°，煤層屬于近水平煤層，煤層埋深最大為350m。9102工作面回采過程中，巷道變形嚴重，如圖1所示。回采巷道受動壓影響，局部地段出現冒頂情況。因此，需對回采巷道圍巖變形特征及支護參數進行研究，巷道原支護參數為錨桿采用Ф20×2000mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800×800mm，錨索為Ф17.8×6000mm的鋼絞線，間排距為1400mm×1600mm。

圖1 巷道圍巖變形情況圖

2 巷道支護方案設計

通過現場分析可知，東曲煤礦巷道圍巖在掘進期間變形情況嚴重，回采巷道受工作面動壓影響后，巷道圍巖易發生冒頂事故，巷道變形特征為圍巖變形呈現非對稱性，且與時間因素有關。經過專家及技術人員的判斷分析可知，回采巷道圍巖變形嚴重的主要原因為：巷道所采用的錨桿錨固長度不足；另據現場試驗，當提高錨桿預緊力時，圍巖變形情況較為緩和，因此可以確定，回采巷道所安設的錨桿預緊力不足及巷道掘進后支護不及時也是巷道變形破壞的原因。因此，設計新支護方案為將原支護方案中頂板及幫部錨桿加長為2400mm，間排距為800mm×800mm，預緊力為70kN，頂板錨索長度為6000mm，間排距為1400×1600mm。

3 圍巖變形控制技術

3.1 巷道支護方案數值模型建立

通過FLAC3D數值模擬軟件建立數值模擬模型，模型尺寸為：長為210m，寬為150m，高為120m，模型共劃分693329個單元格，700385個節點，模型邊界條件為模型四周及模型底部固定，限制水平及垂直位移和應力，模型頂部施加9.03MPa原巖應力。數值模擬模型如圖2所示。

圖2 數值模擬模型示意圖

3.2 模擬過程

模擬過程為：（1） 建立數值模擬模型，如圖2所示；（2）初始平衡，初始平衡后，模型物理力學條件同煤層地質條件下力學條件相同；（3） 開挖工作面回風及運輸順槽，并采用所設計支護參數對回風及運輸順槽進行支護；（4） 回采9102工作面，監測超前工作面30m處，回風及運輸順槽圍巖變形情況；（5）模擬結果分析。

3.3 模擬結果分析

圖3所示為東曲煤礦9102回采工作面回采巷道在巷道掘進及工作面回采時圍巖塑性區云圖，當9102工作面順槽掘進后采用本文設計的支護方案進行支護時，掘進巷道掘進支護后，巷道兩幫塑性區深度均為0.5m，巷道頂板破壞深度為1m，巷道塑性區破壞深度較小，處于錨桿錨固范圍內，說明該支護方案能夠滿足回采巷道在掘進期間的穩定性；當工作面回采時，工作面超前支撐壓力影響范圍為30m，工作面前方30m處巷道圍巖塑性區破壞范圍大，9102工作面回采巷道兩幫塑性區破壞深度均為1.5m，小于錨桿錨固長度，頂板破壞深度為2m，小于錨桿錨固長度；9102回采工作面前方50m處，回采巷道兩幫破壞深度均為1.5m，頂板破壞深度為1.5m，頂板及兩幫塑性區破壞深度均小于錨桿錨固長度；9102回采工作面前方90m處，回采巷道兩幫破壞深度均為1m，頂板破壞深度為1.5m，頂板及兩幫塑性區破壞深度均小于錨桿錨固長度。由此分析可知，所設計的錨桿（索）支護方案能滿足東曲煤礦回采工作安全生產的需要，工作超前支撐壓力影響范圍為30m，距工作面距離越遠，回采巷道圍巖穩定性越好。

圖3 掘進及回采巷道工作面塑性區云圖

4 支護效果觀測

為進一步檢驗所設計回采工作面回采巷道的支護方案的可行性，東曲煤礦采用所選支護方案后，對巷道圍巖位移量進行監測。監測結果表明，回采巷道在掘進期間，頂板最大位移量為12mm；工作面回采期間，圍巖最大位移量是工作面前方30m處，頂板最大下沉量34mm。巷道圍巖變形量小，說明所選支護方案能夠滿足安全生產需要。圖4為回采巷道支護參數圖，圖5為回采巷道圍巖支護效果圖。

5 結論

（1）現場調研發現東曲煤礦9102工作面回采巷道變形嚴重，局部位置出現冒頂，回采巷道原支護方案無法滿足工作面安全生產需要，巷道變形特征為巷道圍巖呈現非對稱性，且與時間因素有關。

（2）理論分析回采巷道支護參數為：錨桿采用Ф22×2400mm，間排距為800×800mm，錨索采用Ф17.8×6000mm，間排距為1400mm×1600mm。

（3）數值模擬研究表明東曲煤礦9102工作面采用設計的方案時，巷道在掘進期間兩幫塑性區最大破壞深度為0.5m，頂板最大塑性區破壞深度為1m，工作面回采期間，工作面前方巷道兩幫最大塑性區破壞深度為1.5m，頂板最大塑性區破壞深度為2m，說明所設計的支護方案能夠滿足回采工作面支護要求。

（4）工程實踐監測結果表明，巷道掘進期間，頂板最大下沉量為12mm，工作面回采期間，工作面前方回采巷道頂板最大下沉量為34mm，圍巖變形量小，再次說明所設計的支護方案能夠滿足要求。

圖4 回采巷道支護參數圖（單位：mm）

圖5 巷道圍巖支護效果圖