水磨灣煤業22101工作面進風巷支護方案優化

高金平

(山西煤炭運銷集團大同有限公司山西大同037000)

1 工程概況

山西煤炭運銷集團水磨灣煤業有限責任公司，位于大同市左云縣東南25 km處，行政區劃左云縣，井田位于大同煤田東南部，東距大同市約60 km，西北距左云縣城25 km，現計劃回采22101 工作面，煤層傾角3°～10°，煤層厚度范圍為3.45 m～7.90 m，平均厚度為4.06 m，煤層沒有夾矸，結構比較簡單。煤層頂板大多數為粉砂巖，煤層頂板結構比較復雜，含0～5 層夾矸，為全井田可采的穩定煤層。

如圖1所示，為進風巷道，支護方式為錨桿和錨索聯合支護，巷道斷面形狀為矩形，巷道凈高3 200 mm，凈寬4 000 mm，原支護頂錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規格? 20×2 000 mm，間排距1 000×1 500 mm，外露長度250 mm，采用W 型鋼帶連接；頂板錨索采用? 18.9×7 300 mm 鋼絞線，間排距1 500×3 000 mm；幫錨桿間排距1 000×1 500 mm，每排布置3 根，采用? 18×1 800 mm左旋螺紋鋼。

圖1 22101工作面進風巷現有的支護設計圖

2 巷道破壞情況

（1）巷道破壞范圍廣。22101 工作面進風巷由于埋深大，導致圍巖呈現出工程軟巖特性，巷道圍巖呈現出一種松軟散落破碎的狀態。除此之外，經過在現場測試圍巖松動圈以及鉆孔窺視巷道發現，進風巷道遭受嚴重的破壞，存在的裂隙尺寸大，且較為發育。

（2）錨桿及其構件失效。22101 工作面進風巷道改進前的支護段，由于煤層埋藏的比較深，加上進風巷道實際的支護強度以及支護所需的錨桿本身強度的影響，進風巷道周圍巖層變形嚴重，其中一部分錨桿（索）失去應有的支護作用。

（3）22101 工作面進風巷四周巖層呈現出一種松散破裂，周圍巖層裂隙比較大，節理比較發育，給進風巷道的支護帶來了很大的困難，巖層位置較低的地方影響尤為顯著，這種周圍巖層破斷離散的狀態，更容易引起進風巷道出現破碎形變，導致進風巷道失去應有的穩定狀態，致使巷道圍巖的塑性區兩幫沒有得到很好的控制，圍巖應力集中明顯，兩幫的移近量很明顯，巷道頂板的移近距離比較大。

錨桿支護的主要目的是加固圍巖的承載能力，原支護方案支護力不強,導致巷道周圍巖層整體提升強度不明顯，圍巖自身的承載能力低，頂板仍然處于高應力狀態。

3 22101工作面進風巷支護方案優化

巷道采用錨桿錨索聯合支護，根據巷道實際現場情況及礦方現有材料，得出的優化后的支護方案頂部錨桿加長，縮小間排距，采用? 20×2 500 mm型左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距900 mm×700 mm，邊錨桿與頂板夾角80°，錨固長度1 200 mm 進行錨固，預緊力為43 kN；巷道兩幫各自多加一根錨桿，各4根錨桿，并且錨桿加長400 mm，采用? 20×2 200 mm型右旋螺紋鋼錨桿，縮小間排距為900 mm×700 mm，下錨桿與柱幫垂直方向夾角10°，上錨桿與柱幫垂直方向夾角15°，錨固長度600 mm，預緊力為30 kN。托盤：120 mm×120 mm鐵托盤：300 mm×200 mm×50 mm。錨索采用? 18.9-L8300 低松弛鋼絞線，間排距1 600 mm×1 400 mm，錨固長度為1.5 m，預緊力為100 kN。圖2為優化后22101工作面進風巷支護示意圖。

圖2 22101工作面進風巷支護優化示意圖

4 支護優化后巷道變形情況模擬

為檢驗優化方案的可行性，通過FLAC3D 進行數值模擬。數值計算模型模擬幾何尺寸：依據實際地質情況，構建長為200 m，高為80 m，寬為75 m的摩爾-庫倫模型，進行三維計算模擬，對進風巷道周圍巖層的單元格進行了加密處理，其目的是為了更深入的研究進風巷道圍巖的情況，每個單元格長度為0.5 m，在離巷道比較遠且不影響模擬精確度的情況下，適當的擴大網格尺寸，模型共劃分630 596節點，56.9萬個單元格，平均容重取2.5×104 N/m3,按照煤層柱狀圖將各個巖層依次分組，總共15層。

針對優化支護之前的錨桿支護方案支護不理想這種情況，對現有的錨桿支護進行優化設計。優化支護后進風巷道圍巖應力、相應的變形及破壞情況的模擬結果如圖3所示。

圖3 不同支護體系下巷道圍巖垂直位移分布云圖

圖4 不同支護體系下巷道圍巖水平位移分布云圖

通過觀察圖3（b）及圖4（b）圍巖位移云圖可發現，總體看來，優化的支護系統滿足了巷道的支護要求。

根據以上數值模擬結果，采用原始支護方案時，進風巷道垂直中心軸的右側0.55 m位置處為進風巷道頂板的最大位移，最大移動量為84.32 mm。進風巷道垂直中軸線右側1.36 m 的位置處為底板的最大位移，巷道底板的最大移動量為32.30 mm；進風巷道垂直中心軸右側的0.80 m 的位置處為進風巷道頂板的最大位移，巷道最大移動量為69.0 mm，進風巷道垂直中軸線右側1.50 m 的位置處為底板的最大位移，進風巷道頂板和底板移近程度顯著減少，總移近量為94.3 mm，比改進前的支護方案減少了41%，其中頂板移近程度比原支護方案減少了43%，底板移近程度較原先的減少了28%。

根據以上圖4所示的圍巖的水平位移分布云圖的對比，發現進風巷道兩幫最大移近量統一都向進風巷道頂板偏移，并且呈現非均勻分布，進風巷道兩側的最大位移點都各自不定量向巷道腰線上邊偏移，偏移量隨著巷道支護強度的增加而增大，說明巷道容易發生變形的區域在進風巷道腰線偏上的位置處，所以應加強此區域的支護強度。同時，優化后的方案對兩幫變形的控制效果明顯。

采用優化后的支護方案，巷道圍巖變形程度顯著減少，采用優化后的支護方案效果更好。

5 圍巖控制效果分析

圖5 圍巖垂直應力曲線

對圖5分析可知：采用優化支護方案，大約在巷道兩幫腰線的位置處，為進風巷道所受到的應力最高點，進風巷道左側所受到的應力范圍為22.5 MPa～40 MPa，距離進風巷道邊緣2.23 m～3.9 m 處大約為最高點的位置；進風巷道右邊所受到的應力范圍為24.7 MPa～48.9 MPa，距進風巷道邊緣1.6 m～3.5 m處為所受應力最高，從距離采煤工作面15 m的監測斷面的位置開始，所受到的應力峰值逐漸上升，距巷道邊緣距離也跟著突然陡增，說明回采對應力變化的影響超前約15 m左右。

綜合分析，采用優化后的支護方案，回采期間周圍巖層應力及應力的影響程度得到了很好得控制。

6 現場應用及效果

得到優化方案后，礦方決定在22101 工作面進風巷巷道掘進面后100 m 的試驗段進行優化方案驗證，并且在試驗段每隔10 m 處斷面安裝多點位移計進行檢測，檢測周期為15 天，試驗段所得監測數據整理如圖6所示。（實驗段頂板下沉量實驗段兩幫收斂量）

圖6 掘進過程中巷道斷面圍巖變化

由圖6 可知，巷道頂板下沉量隨時間增長逐漸增大，最后穩定在33.8 mm，兩幫移近量隨時間逐漸增大，最后穩定在9.44 mm。通過對試驗段的跟蹤監測，發現試驗段巷道頂板穩定性良好，巷道頂板沒有出現任何裂縫，巷道兩幫也沒有片幫情況出現。說明在15天內巷道頂板及兩幫一直處于不斷變形的階段，隨著時間的推移最終位移趨于穩定，圍巖變形將得到良好的控制。

綜上，在應用優化后的支護方案后，巷道兩幫及頂底板的變形均控制在允許范圍，能夠滿足巷道通風及行人的要求，雖然靠近工作面側的巷幫深基點變形較大，但是整體性良好，因此22101工作面進風巷支護合理，在掘進過程中能夠保證巷道正常安全的使用。

7 結論

水磨灣煤業22101 工作面進風巷為厚煤層巷道，通過現場實測發現巷道產生變形的原因是：受掘進影響，22101 工作面進風巷原支護對頂板巖層及兩幫的控制力度不夠，導致頂板下沉量大，巷道收斂變形大，造成巷道頂板煤巖易整體碎落，部分錨索斷裂失效，在此基礎上進行支護優化。經過數值模擬及現場應用實測，發現優化后的支護體系能夠保證22101 工作面進風巷在掘進過程中巷道正常安全的使用。