恒興煤業(yè)近距離煤層巷道圍巖支護穩(wěn)定性研究

李 云

（山西煤炭進出口集團洪洞恒興煤業(yè)有限公司，山西 洪洞 031600）

恒興煤業(yè)近距離煤層在開采過程中，常會受到已采煤層的影響，使得回采工作面以及回采巷道頂板破碎嚴(yán)重，錨桿支護無法滿足巷道圍巖的穩(wěn)定性要求[1]，造成回采工作面多次停工停產(chǎn)，嚴(yán)重影響煤礦開采效率。基于此，本文根據(jù)恒興煤業(yè)3號煤所處地質(zhì)條件，設(shè)計優(yōu)化巷道圍巖支護參數(shù)，綜合分析對比并確定回采巷道圍巖最佳支護參數(shù)，確保巷道圍巖穩(wěn)定。

1 工程概況

恒興煤業(yè)3#煤層所在地質(zhì)年代為山西組，上距2號煤層8.60～21.85m，平均14.77m。煤厚約2.45m，埋深204.6m。3#煤層直接頂從下至上依次為炭質(zhì)泥巖、砂巖、厚泥巖，厚度約12.00m。3#煤層底板從上至下依次為泥巖、細(xì)砂巖、石灰?guī)r，厚度約3.50～8.50m。

2 巷道支護方案設(shè)計

2.1 斷面形狀及尺寸

根據(jù)現(xiàn)場實際勘測情況，3#煤層的第二采區(qū)的運輸水平的掘進巷道斷面形狀為矩形。運輸水平沿3#煤層的底板1m以下按照腰線掘進施工，具體尺寸為：凈寬4m，凈高2.5m。

2.2 支護方案

依據(jù)煤礦巷道施工地質(zhì)資料和設(shè)計圖紙要求，確定3#煤層運巷凈寬為4m，凈高2.5m，沿煤層底板一次掘進成形。結(jié)合巷道頂?shù)装鍘r性，運巷采用錨桿+錨網(wǎng)+噴射混凝土支護協(xié)同作用形式。當(dāng)巖層組合結(jié)構(gòu)為軟弱型和軟硬相間型時，為加強支護效果采用加長錨桿和加長錨固，巷道支護形式及參數(shù)如圖1所示。

（1）頂板支護

錨桿材質(zhì)為左旋螺紋鋼，直徑20mm，長度2.5m，布置間排距為900×1000mm。巷道頂板共布置5根錨桿，單根錨桿錨固材料采用2根樹脂錨固劑，其中1根快速、1根中速。錨桿安裝后，托盤應(yīng)緊貼巖面，不得有松動，外露長度應(yīng)符合設(shè)計規(guī)范要求。

錨索材質(zhì)為多股鋼絞線，直徑17.8mm，長度6.3m，布置間排距為1800×2000mm。巷道頂板共布置2根錨索（呈倒八字形布置），單根錨索錨固材料采用3根樹脂錨固劑，其中1根快速、2根中速。錨索安裝后，托盤應(yīng)緊貼巖面，鎖具預(yù)緊力至少應(yīng)為120kN，外露長度應(yīng)符合設(shè)計規(guī)范要求。

圖1 恒興煤業(yè)3#煤層運巷聯(lián)合支護示意圖

（2）兩幫支護

錨桿材質(zhì)為左旋螺紋鋼，直徑20mm，長度2.0m，布置間排距為1000×1000mm。巷道兩幫共布置4根錨桿，下方錨桿距離底板1m處斜向下安裝。單根錨桿錨固材料采用2根樹脂錨固劑，其中1根快速、1根中速。錨桿安裝后，托盤應(yīng)緊貼巖面，不得有松動，外露長度應(yīng)符合設(shè)計規(guī)范要求。

3 支護方案數(shù)值模擬分析

根據(jù)設(shè)計方案，對恒興煤業(yè)3號煤運輸巷圍巖采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行巷道支護圍巖變形移動規(guī)律的數(shù)值模擬。煤層及其頂?shù)装鍘r層參數(shù)根據(jù)實際工程地質(zhì)條件采用Attach語句連接[2-4]，模型建立網(wǎng)格35662個，節(jié)點數(shù)48250個，對巷道設(shè)計的支護參數(shù)進行數(shù)值計算及結(jié)果采集。方案設(shè)計巷道圍巖在礦山壓力作用下位移變化情況如圖2所示。

圖2 恒興煤業(yè)3號煤運輸巷圍巖位移變化云圖

對設(shè)計支護方案數(shù)值模擬完成后，保持煤巖層參數(shù)及開挖賦值不變，對巷道圍巖錨桿錨索間排距（錨桿錨索數(shù)量）及長度進行變換，得出在不同支護參數(shù)下的巷道圍巖移動變形量[5-6]，導(dǎo)出各支護方案下的圍巖移動變形數(shù)據(jù)并記錄匯總，得出錨桿錨索支護巷道頂、板移近量、左、右巷幫收斂量數(shù)據(jù)見表1。

表1 巷道圍巖位移量隨支護參數(shù)變化統(tǒng)計表

對恒興煤業(yè)3號煤運輸巷進行了多種支護參數(shù)的數(shù)值模擬，根據(jù)表1模擬巷道圍巖變形量統(tǒng)計可知，開挖巷道在無支護的情況下，巷道圍巖達到平衡時變形破壞程度較強烈，頂?shù)装逑鄬ξ灰屏繛?24mm，兩幫相對位移量為209mm。設(shè)計方案支護形式對巷道圍巖移動變形的控制效果較佳，最大能減少約73.6%的圍巖變形量。設(shè)計方案支護參數(shù)為錨桿頂板5根，兩幫各2根，長2.5m，錨索2根或3根，長6.3m時，頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏炕鞠嗟龋抑ёo效果好，滿足巷道圍巖控制要求。

從巷道圍巖支護工程施工經(jīng)濟上考慮，在圍巖支護效果相差微小的前提下，盡可能采用較少的支護材料，能夠節(jié)約施工成本，降低勞動強度，有較好的經(jīng)濟效益。因此，確定恒興煤業(yè)3號煤運輸巷圍巖支護應(yīng)選擇頂板錨桿5根，兩幫各2根，長2.5m，頂板錨索2根，長6.3m的支護參數(shù)作為最佳支護方案。

4 工程應(yīng)用

對于恒興煤業(yè)3號煤運輸巷道圍巖支護，將數(shù)值模擬分析得出的最佳支護方案進行現(xiàn)場應(yīng)用，對巷道支護完成后，進行圍巖頂板下沉、巷道兩幫收斂的現(xiàn)場監(jiān)測，得到巷道圍巖移動變形隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖3 3號煤運輸巷道圍巖變形隨時間的變化曲線

由現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，巷道圍巖在采用最佳支護方案下，前15d內(nèi)圍巖變形較劇烈，無論是頂板下沉還是兩幫收斂都隨時間呈線性增長的趨勢，最大增長至52.4mm和46.5mm。這說明在巷道掘進開挖前期，圍巖的原巖應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，圍巖在巷道開挖范圍內(nèi)顯現(xiàn)出多處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得圍巖破碎嚴(yán)重，斷面變形較大。而在15d以后，巷道圍巖支護效果才得以顯現(xiàn)，巷道頂板及兩幫基本保持了穩(wěn)定的狀態(tài)，頂板下沉和兩幫收斂基本趨于不變，說明巷道支護效果顯著，滿足安全生產(chǎn)的要求。由工程實踐研究表明，恒興煤業(yè)3號煤采用頂板錨桿5根、兩幫各2根、長2.5m，頂板錨索2根、長6.3m的支護參數(shù)滿足了巷道圍巖變形的有效控制，而且節(jié)省施工成本，經(jīng)濟效果良好。

5 結(jié)論

通過對恒興煤業(yè)3號煤運輸巷道圍巖支護的數(shù)值模擬和工程實踐的綜合研究可知，對于近距離煤層的開采，上部煤層的采空區(qū)對下部煤層巷道的穩(wěn)定性影響較大，需通過有效的錨桿錨索聯(lián)合支護并采用加長錨固的方法，方能更好地控制巷道圍巖的穩(wěn)定性。數(shù)值模擬和工程應(yīng)用均證明了該3號煤巷道采用頂板錨桿5根、兩幫各2根、長2.5m，頂板錨索2根、長6.3m的支護方案效果最佳，不僅能有效控制巷道圍巖的變形，還具有一定的施工經(jīng)濟性，對類似煤礦巷道支護提供了一定借鑒意義。