厚煤層大斷面軟巖巷道支護設計優化

陳 飛

（山西焦煤西山煤電集團有限公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

厚煤層大斷面軟巖巷道頂底板巖層力學強度低，圍巖破碎程度高，巷道變形劇烈，使得此條件下巷道圍巖支護技術要求更加嚴格[1-3]。西山煤電屯蘭煤礦工作面回采巷道斷面大，圍巖強度低，面臨軟巖支護難題，原有支護設計方案難以有效控制巷道圍巖變形程度[4-5]。本文以12510 工作面運輸平巷為研究對象，對厚煤層大斷面軟巖巷道支護設計進行分析優化，確定合理的支護參數，研究結果將為類似礦井提供依據和借鑒。

1 地質與開采技術條件

屯蘭煤礦12510 工作面主采2#煤層，煤厚3.2~3.5m，煤層傾角3~6°，屬于近水平煤層。工作面埋深約600m，采用一次采全高頂板全部垮落法采煤。12510 運輸平巷沿2#煤層頂板掘進，設計長度1115m，凈寬5.0m，凈高3.5m，巷道斷面呈現矩形，斷面面積17.5m2。煤層直接頂為灰白色細砂巖，裂隙發育，平均厚度3.28m；基本頂為深灰色中砂巖，包含植物化石和包裹體，平均厚度4.26m；直接底為深灰色砂質泥巖，含少量植物化石、性脆，平均厚度1.14m；基本底為黑灰色粉砂巖，平均厚度4.88m。頂底板各巖層力學參數見表1。

表1 12510 工作面頂底板巖層力學性質

2 大斷面軟巖巷道原支護設計方案

2.1 原支護設計方案

12510 運輸平巷原支護參數如下：

（1）巷道頂板支護參數

巷道頂板支護采用“高強錨桿+ 錨索+金屬網+ 鋼筋托梁” 聯合支護方式。 頂錨桿 采 用 Φ20×2400mm高強錨桿， 間、 排 距1800mm×900mm，采用1 支CK2380 和1 支K2380藥卷錨固，頂錨桿預緊扭矩≥200N?m，錨固力≥125kN。錨索型號為Φ17.8×6300mm，間、排距1800mm×900mm，采用1 支CK2380 和1 支K2380藥卷錨固。金屬網采用8#菱形金屬網，網片規格為6000×1000mm。鋼筋托梁采用Φ16×4500mm 圓鋼托架。

（2）巷道幫部支護參數

巷道幫部支護采用“高強錨桿+金屬網+鋼筋托梁”聯合支護方式。幫錨桿采用Φ20×1800mm高強錨桿，間、排距1800mm×900mm，采用2 支K2380 藥卷，幫錨桿預緊扭矩≥150N?m，錨固力≥105kN。金屬網采用10#菱形金屬網，網片規格為2600×1000mm。鋼筋托梁采用Φ10×2400mm 圓鋼托架。

2.2 原支護方案存在問題

（1）支護材料型號選擇不合理。錨桿、錨索尾部螺紋段較短，預緊力小；錨桿托板和螺母之間未加入調心球墊，無法組成調心結構；鋼帶型號選擇不合理，容易造成巷道表面圍巖發生破壞，影響支護效果。

（2）支護參數設計不合理。錨桿錨索預緊力較低，在巷道支護初期沒有形成主動的預應力承載結構，未對圍巖形成很好的約束控制作用，無法控制錨固區圍巖離層、滑動、裂隙張開；錨桿錨索布置在同一排，整體支護作用不協調，導致支護效果較差。

3 大斷面軟巖巷道支護優化設計

3.1 支護參數數值模擬

針對原有支護方案存在的不足，應用FLAC3D軟件建立數值模型，模擬分析了不同支護參數影響因素下12510 工作面運輸平巷圍巖應力場分布規律，以確定最優參數。

（1）錨索布置形式

在錨桿支護形式、參數不改變的前提下，改變錨索布置方式，模擬巷道圍巖變形及預應力分布情況，模擬結果如圖1 所示。其中錨索布置采用混合“一三五”和“二四六”交錯布置和間隔“二二”布置兩種方式。

圖1 不同錨索布置形式下巷道圍巖變形和預應力分布情況

由圖1 可知，當錨索采用原支護形式布置（即混合“一三五”和“二四六”交替布置）時，巷道頂板形成了以錨索支護為主的預應力場，但由于錨索初始預緊力遠遠大于錨桿，錨桿形成的預應力場基本可忽略，錨桿對頂板變形起不到相應的約束作用；當錨索采用間隔“二二”布置方式時，錨桿端部形成了有效的壓應力區域，與錨索共同作用疊加成主動支護區，巷道穩定性得到了加強，支護效果明顯得到改善。

（2）錨桿排距

模擬錨桿排距為900mm，1000mm 和1100mm三種情況，支護體形成的預應力分布特征如圖2所示。

圖2 不同錨桿排距下支護體預應力分布特征

由圖2 可知，隨著錨桿排距增大，錨桿形成的有效壓應力范圍有限，疊加范圍逐漸減少；隨著錨桿排距減小，錨桿密度增大，壓應力區互相疊加明顯。12510 工作面運輸平巷中頂錨桿排距選取1000mm 相對比較合理。

（3）錨桿長度

對2000mm 和2400mm 兩種錨桿長度下巷道圍巖變形進行模擬，支護體形成的預應力分布特征如圖3 所示。

圖3 不同錨桿長度下支護體預應力分布特征

由圖3 可知，2000mm 和2400mm 兩種長度錨桿的預應力分布情況基本相同，沒有存在較大的差異，這說明當錨桿施加足夠大的預緊力時，錨桿長度適度可以縮短，這既降低支護成本，減小鉆孔量，也縮短了錨桿支護時間，有利于提高掘進速度。

3.2 巷道支護優化設計方案

根據前面分析，12510 工作面運輸平巷支護優化設計方案如下：

（1）巷道頂板支護參數

巷道幫部支護采用“高強錨桿+錨索+金屬網+ 鋼筋托梁”聯合支護方式。錨桿采用Φ20×2000mm 的左旋無縱筋螺紋鋼筋高強錨桿，螺紋長度120mm，桿尾螺紋為M22，間、排 距1000mm×900mm， 采 用1 支CK2380 和1 支K2380 樹脂藥卷全長錨固，頂錨桿預緊扭矩300 ～500N?m，錨桿配件采用高強錨桿螺母M22，配合高強托板調心球墊和尼龍墊圈。錨索采用Φ17.8×5300mm，“二二”間隔布置，間、排距1800mm×2000mm，錨索預緊力≥200kN，采用1 支CK2380 和2 支K2380 樹脂藥卷錨固，錨索托盤采用300mm×300mm×16mm 高強度可調心托盤。W 鋼帶型號為BHW 系列，孔間距900mm。金屬網采用10#菱形金屬網，網片規格為5200×1100mm。

（2）巷道幫部支護參數

巷道幫部支護采用“高強錨桿+金屬網+鋼筋托梁”聯合支護方式。錨桿采用Φ20×2000mm 的左旋無縱筋螺紋鋼筋高強錨桿，螺紋長度120mm，桿尾螺紋為M22，間、排距1000mm×1000mm，采用1 支K2380 樹脂藥卷錨固，幫錨桿預緊扭矩300~500N?m，錨桿配件采用高強錨桿螺母M22，配合高強托板調心球墊和尼龍墊圈。W 鋼帶型號為BHW 系列，孔間距900mm。金屬網采用10#菱形金屬網，網片規格為3400×1100mm。

12510工作面運輸平巷支護優化設計如圖4所示。

圖4 12510 工作面運輸平巷支護優化設計

4 巷道支護效果分析

采用十字布置方式在12510 工作面運輸平巷表面設置監測點，對巷道圍巖支護效果進行監測，如圖5 所示。

由圖5 可知，12510 工作面運輸平巷支護設計優化后，23d 之后兩幫及頂底板位移速度有所減小，40d 之后巷道表面移近量均趨于穩定。巷道頂、底板移近量為115mm，兩幫移近量為106mm，完全可以滿足生產使用，表明巷道支護效果良好。

圖5 12510 工作面運輸平巷表面位移監測結果

5 結論

通過對屯蘭煤礦12510 工作面運輸平巷巷道圍巖支護設計分析優化，確定了合理的支護參數，得到了以下結論：

（1）原支護設計方案中，錨桿錨索混合采用“一三五”和“二四六”交錯布置方式造成錨桿支護無法形成有效的壓應力區，極大地消弱了錨桿的支護作用；

（2）支護優化設計方案中，錨桿錨索采用“二二”間隔布置，形成了有效的壓應力區域，有利于巷道圍巖的整體穩定；

（3）適當加大錨桿排距和減小錨桿長度，對巷道支護效果影響程度小，對于降低支護成本、減小鉆孔量、提高掘進速度具有促進作用；

（4）12510 工作面運輸平巷采用優化設計后，巷道頂、底板和兩幫移近量分別為115mm 和106mm，支護效果良好，可以滿足生產使用。