鑫基煤業(yè)回風(fēng)斜巷支護(hù)技術(shù)優(yōu)化研究及應(yīng)用

樊義文

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)沁水鑫基煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)已發(fā)展成為巷道支護(hù)的主要形式之一[1-2]。但巷道錨桿（索）支護(hù)參數(shù)的確定主要通過(guò)工程類比，支護(hù)方案的設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)依據(jù)，當(dāng)圍巖條件較差時(shí)，僅提高錨桿錨索的支護(hù)密度來(lái)提高支護(hù)強(qiáng)度，對(duì)于提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益非常不利。本文以鑫基煤礦2#煤層回風(fēng)斜巷支護(hù)為背景，研究與巷道地質(zhì)條件相適應(yīng)的錨桿支護(hù)形式和參數(shù)，對(duì)于提高巷道支護(hù)體系的安全性和可靠性，減少支護(hù)費(fèi)用和巷道維修工作量具有重要的意義。

1 工程概況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)沁水鑫基煤業(yè)井田位于沁水盆地南緣，生產(chǎn)規(guī)模120萬(wàn)t/a，目前正在進(jìn)行2#煤層的采掘作業(yè)。2#煤層穩(wěn)定，煤層厚度為3m，為近水平煤層。2#煤層直接頂板多為砂質(zhì)泥巖、泥巖或粉砂巖，一般厚在0～2.50m間不等，直接頂下常有約0.5m的灰色泥巖或炭質(zhì)泥巖偽頂，基本頂為中細(xì)砂巖，厚約3.00m；底板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，一般厚2.82m。正在掘進(jìn)的回風(fēng)斜巷地面位于井田南部邊緣，距回風(fēng)斜井南20m為恒利舊回風(fēng)斜井，即現(xiàn)在措施回風(fēng)井，西南側(cè)為風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng)。回風(fēng)斜巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2073.141m，矩形斷面，凈寬4.8mm，凈高4.1m，沿2#煤層頂板施工。

2 回風(fēng)斜巷原有支護(hù)效果分析

2.1 回風(fēng)斜巷原有支護(hù)方案

2#煤層回風(fēng)斜巷為矩形斷面，采用錨網(wǎng)（索）噴支護(hù)，坡度δ=-4.7°，S凈=15.18m2，噴厚T=100mm，掘進(jìn)寬4.9m，掘進(jìn)高4.2m。頂板錨桿采用直徑為20mm、長(zhǎng)度為2400mm的硬質(zhì)螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800×800mm。錨桿沿巷道中心線對(duì)稱布置，靠近巷道中心線位置的四根錨桿垂直巖壁施工，靠近兩幫肩角處的錨桿向外側(cè)傾斜20°安裝。每排六根錨桿，采用鋼筋網(wǎng)護(hù)表，錨桿之間采用直徑為14mm的光圓加工而成的鋼筋梯子梁聯(lián)結(jié)，錨桿采用一支Z2360樹(shù)脂藥卷錨固，預(yù)緊力不小于100N·m。兩幫錨桿規(guī)格與頂板錨桿相同，間排距為1100×800mm。最低一排錨桿距離巷道底板400mm，靠近巷道腰線的兩根錨桿垂直煤壁施工，靠近頂角的錨桿仰角為20°，靠近底板的錨桿安裝時(shí)俯角為20°。兩幫的錨桿采用一支Z2360樹(shù)脂藥卷，預(yù)緊力不小于100N·m，錨固力不小于70kN，兩幫采用金屬網(wǎng)護(hù)幫，金屬網(wǎng)由直徑6.5m的冷拔鐵絲制成。頂板錨索采用長(zhǎng)度為6300mm、直徑17.8mm的1×9預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排一根錨索，錨索排距為1600mm，每根錨索使用樹(shù)脂錨固劑MSCK23/60、MSZ23/80各一支，外露150～250mm。在巷道頂?shù)装搴蛢蓭捅砻鎳娚渌嗷炷练鈱樱鈱雍穸?0mm。回風(fēng)斜巷支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 回風(fēng)斜巷原有支護(hù)示意圖

2.2 回風(fēng)斜巷錨網(wǎng)索支護(hù)效果

為詳細(xì)了解2#煤層回風(fēng)斜巷錨網(wǎng)索支護(hù)效果，掘巷過(guò)程中，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行圍巖位移監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)整理得到如圖2所示的結(jié)果。由圖2可知，回風(fēng)斜巷圍巖位移集中在成巷后的18d內(nèi)，之后圍巖基本不再發(fā)生明顯的位移，頂板下沉量穩(wěn)定在24mm，兩幫移近量穩(wěn)定在31mm，總體來(lái)說(shuō)巷道圍巖穩(wěn)定性較好。由此可知，巷道掘進(jìn)后采用錨網(wǎng)索支護(hù)方案巷道圍巖變形量較小。

圖2 回風(fēng)斜巷兩幫與頂板變化量

3 回風(fēng)斜巷現(xiàn)支護(hù)方案合理性分析及數(shù)值模擬

2#煤層回風(fēng)斜巷頂板為泥巖，泥巖的厚度在0～2.34m間變化，泥巖上方為堅(jiān)硬的中細(xì)砂巖，因此頂板錨桿的錨固區(qū)可分為四種狀況。四種情況下均采用相同的支護(hù)方案明顯不合理，為此提出以下四種方案：（1）頂板泥巖厚度大于2.1m時(shí)，錨桿錨固段不在堅(jiān)硬的中細(xì)砂巖中。頂板和兩幫錨桿規(guī)格為Φ20×2400mm，間排距調(diào)整為800×1200mm，幫錨桿間排距1100×1200mm，頂板錨索支護(hù)參數(shù)與原支護(hù)方案相同。（2）巷道頂板泥巖厚度為1.6～2.1m，頂板錨桿間排距調(diào)整為1000×1200mm，頂板錨索長(zhǎng)度減小為4500mm。（3）巷道頂板泥巖厚度小于1.5m，錨索長(zhǎng)度減小為4000mm。（4）巷道頂板無(wú)泥巖，取消頂板錨索。

為具體分析四種支護(hù)方案的可行性，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件結(jié)合2#煤層具體的地質(zhì)條件進(jìn)行分析[3-4]。四個(gè)方案的數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 不同頂板條件下回風(fēng)斜巷支護(hù)方案

模擬不同支護(hù)條件下回風(fēng)斜巷的開(kāi)挖，得到圖4所示結(jié)果。根據(jù)回風(fēng)斜巷頂板泥巖的厚度調(diào)整支護(hù)方案，隨著泥巖厚度的減小，降低巷道的支護(hù)強(qiáng)度。整體來(lái)說(shuō)，圍巖的變形量呈逐漸增大的趨勢(shì)，其中頂板下沉量的增大最為明顯，兩幫的移近量增加不明顯。方案一頂板泥巖厚度較厚，適當(dāng)?shù)卦黾渝^桿的間排距，減小錨索的長(zhǎng)度，圍巖的位移有所增加，但是變形最大的兩幫僅為41mm，圍巖穩(wěn)定性良好。方案二、三相對(duì)于方案一，頂板下沉量分別僅增大了2.5mm、6.2mm，而底板底鼓量分別減小了1.7mm、1.2mm。由此可知，在實(shí)現(xiàn)支護(hù)方式及參數(shù)優(yōu)化的前提下，也能夠滿足巷道圍巖控制的要求。

圖4 不同支護(hù)方案圍巖位移情況

4 優(yōu)化方案現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及礦壓監(jiān)測(cè)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)以上模擬分析的結(jié)果，2#煤層回風(fēng)斜巷采用優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖5所示。頂板錨索長(zhǎng)度調(diào)整為5000mm，排距為2400mm，錨桿間排距為800×1200mm，兩幫錨桿間排距調(diào)整為1100×1200mm，頂板錨索的長(zhǎng)度根據(jù)具體的地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整。泥巖厚度大于2.1m，錨索長(zhǎng)度為5000mm，泥巖厚度1.6～2.1m，錨索長(zhǎng)4500mm，泥巖小于1.6m，錨索長(zhǎng)度為4000mm，無(wú)泥巖情況下，取消頂板錨索。

4.2 礦壓觀測(cè)

2#煤層回風(fēng)斜巷采用優(yōu)化后的支護(hù)方案掘進(jìn)期間，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)圍巖位移觀測(cè)，共布置4個(gè)測(cè)站，測(cè)站間距離約為30m，整理結(jié)果如圖6所示。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，回風(fēng)斜巷圍巖明顯的位移變形集中在成巷后的30d內(nèi)，兩幫最大的移近量為68mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?2mm。總體來(lái)說(shuō)，2#煤層回風(fēng)斜巷圍巖穩(wěn)定性良好，優(yōu)化支護(hù)方案是可行的。

圖5 回風(fēng)斜巷優(yōu)化后支護(hù)方案

圖6 回風(fēng)斜巷圍巖位移觀測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

鑫基煤業(yè)2#煤層回風(fēng)斜巷采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護(hù)，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬等方法，研究發(fā)現(xiàn)原有支護(hù)方案設(shè)計(jì)過(guò)于保守。結(jié)合2#煤層回風(fēng)斜巷詳細(xì)的地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)不同條件下的支護(hù)參數(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了支護(hù)方案優(yōu)化的可行性。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后進(jìn)行圍巖位移監(jiān)測(cè)，兩幫最大的移近量為68mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?2mm，圍巖穩(wěn)定性良好，有效提高了巷道的掘進(jìn)速度和礦井的經(jīng)濟(jì)效益。