干河煤礦松軟破碎半煤巖巷支護技術優化研究

張會林

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

山西霍寶干河煤礦三采區輔助運輸巷作為三采區準備巷道位于+80m 水平西翼，與+80m 水平西翼三條大巷垂直布置，北東為西翼三條開拓大巷，西南側為變電所。三采區輔助運輸巷布置在1#煤中，煤層結構相對簡單，1#煤層厚度0.4～1.15m，平均厚度0.78m，煤層傾角2°～8°，平均傾角5°。基本頂為細砂巖，平均厚度3.12m；直接頂為中砂巖，平均厚度4.96m；直接底為泥巖，平均厚度4.6m，深灰色；基本底為K7 中粒砂巖，厚度3.0～4.27m，平均厚度3.63m。三采區的三條大巷掘進初期，巷道表面位移較大，需進行支護方案優化。三采區準備巷道布置示意圖如圖1 所示。

圖 1 三采區準備巷道布置示意圖

2 原有支護體系及巷道變形特征

2.1 原支護方案

三采區輔助運輸巷沿1#煤層底板掘進，采用半圓拱形斷面，掘進斷面尺寸為4.8（寬）m×3.6（高）m，原有支護方式為錨網噴支護。頂板和兩幫錨桿為Φ18×2000mm 左旋高強度螺紋鋼，錨桿配套托盤采用長寬120mm、厚度10mm 的碟形鋼制托盤，采用樹脂錨固劑加長錨固，每根錨桿采用K2455、Z2455 型號樹脂藥卷各一支，錨桿間排距為900×900mm，靠近最下部的錨桿距離底板300mm，巷道表面護表金屬網由直徑10mm 的圓鋼焊接，錨網支護完成后，在巷道表面噴射100mm的C20 混凝土。

2.2 礦壓顯現特征

三采區輔助運輸巷采用上述支護方案掘進初期，采用十字交叉法對巷道表面的位移情況進行監測[1]，測點布置在距開口20m 處。為期20d 的監測整理得到圖2 所示的結果。由圖2 可以看出，三采區輔助運輸巷在掘出后，巷道表面的位移隨著成巷時間的延長不斷的增大。成巷后10d 內，巷道頂底板和兩幫的相對移近速度均達到了11mm/d；成巷10d 以后圍巖的變形速度有所降低，但是仍維持在7mm/d 左右；成巷20d 后頂底板相對移近量達到143mm，兩幫移近量達到118mm。巷道圍巖變形速度較快，且持續變形，表明支護能力不足，巷道的安全狀況欠佳，且三采區輔助運輸巷服務期間較長，因此必須采取適當的治理措施。

圖 2 礦壓監測結果

3 支護參數優化研究

為更加合理地確定三采區輔助運輸巷的支護參數，根據現場詳細的地質狀況，采用UDEC 軟件建立數值模擬模型[2-3]。整個模型將沿巷道寬度方向取一個截面，模型尺寸寬×高=100×60m，模型下部邊界垂直方向位移設定為0，左右邊界水平位移固定為0，上部邊界施加12.5MPa 的邊界載荷，巷道圍巖本構關系采用摩爾－庫侖模型。模型示意圖如圖3 所示。

圖3 數值模型示意圖

采用上述模型對三采區輔助運輸巷的支護參數進行優化。為提高巷道圍巖的支護強度，主要對錨桿、錨索、底板的支護參數進行優化。錨桿錨索采用cable 單元進行模擬[4]，巷道表面噴射混凝土，鋼筋梯子梁用structure 單元模擬，分別建立不同支護方式條件的數值模型。巷道開挖計算平衡后對巷道圍巖的塑性區發育及圍巖位移量進行對比分析，從而得到最為合理的支護參數。由于篇幅所限，以錨桿直徑為例進行模擬結果分析。目前巷道支護常用的錨桿支架為18 ～24mm，模擬過程中，錨桿長度為2000mm，間排距為800×800mm，錨桿直徑分別為18mm、20mm、22mm、24mm，不同錨桿直徑條件下圍巖的塑性區分布情況如圖4 所示。其中“*”為正在塑性破壞的單元，“×”代表已發生塑性破壞的單元，空白的代表完整的煤巖體。統計巷道各個方向圍巖的破壞深度和各處的位移，得到表1 所示的結果。

由圖4 所示的模擬結果及表1 所示的統計結果可知，頂板錨桿直徑變化時，頂板巖層塑性破壞深度不變，幫部和底板圍巖塑性破壞深度發生變化，說明錨桿對頂板支護效果良好。錨桿直徑由18mm增至20mm，幫部和底板塑性破壞深度的減小最為明顯。錨桿直徑發生變化時，巷道圍巖的位移量均出現不同程度的變化。錨桿直徑由18mm 增至20mm，巷道表面位移量減小最為明顯。錨桿直徑增大至20mm 以上，各項指標的減小趨勢均變緩。且總體而言，巷道頂板和兩幫的位移維持在較低的水平，底板底鼓量較為突出，因此設計頂板錨桿直徑為20mm。錨桿支護具有較好的技術經濟性，需要對底板采取適當的加固措施。

圖 4 巷道圍巖塑性區分布示意圖

表1 數值模擬統計結果

4 半煤巖巷聯合支護技術

結合數值模擬研究的結果，最終設計三采區輔助運輸巷采用錨網索噴+反底拱聯合支護，參數如下：頂板和兩幫錨桿為Φ20×2000mm 左旋高強度螺紋鋼，采用樹脂錨固劑錨固，每根錨桿采用K2455、Z2455 型號樹脂藥卷各一支，錨桿間排距為800×800mm，靠近最下部的錨桿距離底板400mm。頂板錨索采用直徑15.24mm、長度7000mm 的鋼絞線，每根錨索采用一支K2455、兩支Z2455 型樹脂藥卷，間排距為1600×1600mm，每排兩根，沿巷道中線對稱布置，安裝時預緊力不小于100kN，托盤采用300×300×10mm 碟形鋼托盤。巷道表面護表金屬網由直徑10mm 的圓鋼焊接，錨網支護完成后，在巷道表面噴射100mm 的C20混凝土。底板采用混凝土反底拱支護，先進行臥底，巷道中部臥底深度不小于800mm，兩幫臥底深度不小于500mm，然后預埋底板曲梁和鋪金屬網，之后澆筑混凝土并鋪碎石子。三采區輔助運輸巷最終支護斷面如圖5 所示。

圖 5 多層次錨桿支護體系示意圖

5 應用效果分析

三采區輔助運輸巷圍巖條件良好，為防止巷道支護和掘進施工相互干擾，并給予圍巖適度的變形空間，設計巷道支護滯后掘進工作面一段時間和距離。巷道掘進速率約為5m/d，故設計巷道施工順序為：巷道掘出兩天后開始安裝頂板和幫部的錨桿，錨桿支護2～3d 后開始安裝錨索和噴漿，巷道成型10～20d 后根據圍巖的變形情況對局部進行臥底和施工反底拱結構。

掘進施工過程中，采用十字布點法進行巷道表面位移監測，測點距離掘進頭后方5m 處，整理得到圖6 所示的結果。由圖可知，巷道成巷后，隨著成巷時間的增大，巷道表面的位移量逐漸增大，但是圍巖的變形速度逐漸減小。成巷約20d 后，巷道表面的位移量基本不再增大，巷道圍巖趨于穩定。為期一個月的監測期間，頂底板累計移近量為68mm，兩幫累計移近量為61mm，巷道變形量很小，說明圍巖變形得到了有效的控制。

圖 6 巷道圍巖變形量監測結果