曙光煤礦多次動壓擾動巷道支護技術應用研究

楊 斌

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司曙光煤礦，山西 孝義 032300）

1 工程概況

山西汾西礦業（集團）有限責任公司曙光煤礦主要位于山西省中部孝義市，局部區域位于晉中介休市和靈石縣境內。曙光煤礦主采2、3 號煤層，生產規模90 萬t/a。上組煤（2、3 號煤層）共劃分為四個采區，首采區為井底車場附近的一采區。一采區準備巷道和工作面回采巷道均沿煤層底板掘進，巷道斷面為矩形。1226 綜采工作面可采走向長度2455m，傾向長度180.5m，實體長176m。1226工作面所采煤層屬于二疊系下統山西組2#煤，煤層厚度平均為2.85m，工作面沿頂底板割煤。煤層頂底板巖性特征如圖1（a）所示。曙光煤礦屬于高瓦斯礦井，為避免工作面上隅角出現瓦斯濃度過高的問題，設置1226 瓦斯治理巷作為專門的回風巷，且作為1228 工作面的運輸巷使用。工作面準備階段1226 材料巷和瓦斯治理巷采用雙巷掘進，煤柱寬度為20m，1226 工作面南部為1228 接替工作面。1226 工作面回采期間，1226 瓦斯治理巷圍巖變形嚴重，已無法滿足工作面正常生產的需求，需采取適當的措施進行加固返修。巷道布置平面圖如圖1（b）所示。

2 原巷道支護形式

曙光煤礦1226 瓦斯治理巷掘巷期間永久支護方式為錨桿+錨索+金屬網聯合支護。頂板支護：采用錨桿+錨索+金屬網+鋼筋梯子梁。錨桿桿體規格為Φ20×2400mm 的左旋螺紋鋼，間、排距為900×1000mm，錨固劑為MSCKb2380 型和MSK2380 型樹脂藥卷各一支，每排6 根，安裝時預緊力距不低于200N?m。錨索采用規格為Φ21.6×6300mm 的預應力鋼絞線，每排三根，錨固劑為一支MSCKb2380 型和一支MSK2380 型樹脂藥卷，間排距1800×2000mm，安裝時預緊力不小于150kN，頂板鋼筋梯子梁由直徑10mm 的圓鋼制成，金屬網為8#菱形金屬網。幫部支護采用錨桿+金屬網+鋼筋梯子梁。錨桿規格為Φ20×1800mm的左旋螺紋鋼，錨固劑為一根 MSCKb2380 樹脂藥卷，每排4 根，間排距為800×1000mm，金屬網和鋼筋梯子梁與頂板支護規格相同。1226 瓦斯治理巷原有支護方案如圖2 所示。

圖 1 地質及采掘技術背景

圖 2 1226 瓦斯治理巷原支護斷面圖

3 圍巖失穩破壞機理數值模擬研究

為探究曙光煤業1226 瓦斯治理巷圍巖失穩破壞的機理及圍巖的破壞情況，根據曙光煤礦1226工作面的具體情況采用FLAC3D軟件進行數值模擬[1-2]。模擬1226 工作面長度為傾斜180m，1226 材料巷和瓦斯治理巷間煤柱寬度為20m，1228 工作面長度為50m，整個模型尺寸為250（寬）×80m（高）×300m（長）。模型采用莫爾—庫倫本構單元。1226 材料巷和瓦斯治理巷的支護方式采用第二節所述，模擬1226 工作面推進220m。模型前后左右水平方向的位移為0，下部邊界為固定邊界，模型上部邊界施加6.76MPa 的垂直應力。模擬過程：首先進行1226 材料巷和瓦斯治理巷的開挖，然后進行1226 工作面和1228 工作面開切眼，最后進行1226工作面的回采。模擬方案示意圖如圖3 所示。

通過數值模擬得到圖4 所示結果。圖4（a）所示結果為距掘進工作面迎頭4m 處，巷道支護后圍巖塑性區分布。由圖可以看出，1226 材料巷和瓦斯治理巷掘進期間，巷道圍巖的破壞情況基本相同。兩條巷道間有20m 的保護煤柱，掘進互不干擾。1226 瓦斯治理巷兩幫塑性破壞區基本對稱，兩幫塑性區范圍均在 4～5m，頂板塑性破壞范圍為2～3m，底板塑性破壞范圍為3～4m，整體而言圍巖塑性破壞范圍較大，幫部煤體塑性破壞較為嚴重。由此可知，1226 瓦斯治理巷掘進期間支護方案的支護強度偏低。圖4（b）所示結果為，1226 工作面回采期間工作面后方10m 處圍巖塑性區分布情況。統計瓦斯治理巷掘進期間及鄰近工作回采期間瓦斯治理巷圍巖的塑性破壞范圍和圍巖位移量，得到表1 所示的結果。由圖和表可知，鄰近的1226 工作面回采后，瓦斯治理巷圍巖內的塑性破壞區進一步擴展，尤其是煤柱幫，巷道與采空區間完整煤巖體的寬度由掘進期間的10m 銳減至5m，且煤柱上方巖層中的塑性發育區連通，使煤柱的承載能力大大下降，導致瓦斯治理巷受到明顯的采動影響，工作面回采后采空區覆巖垮落、下沉，將導致瓦斯治理巷圍巖持續變形。工作面回采后，瓦斯治理巷的變形量同樣顯著的增大，變形量增大最顯著的為頂板和煤柱幫。綜上所述，1226 瓦斯治理巷掘進期間圍巖位移量較小，在1226 工作面回采期間，巷道圍巖塑性破壞深度增大，煤柱對于巷道的保護能力減弱，瓦斯治理巷頂板和煤柱幫的變形迅速持續增大。

圖 3 數值模擬方案示意圖

圖 4 圍巖塑性區分布模擬結果

表1 數值模擬結果

4 支護方案優化設計

根據上文數值模擬研究結果，對于1226 瓦斯治理巷支護方案的優化需遵循以下幾點原則：（1）高強度原則。巷道圍巖塑性破壞范圍較大，采用以高強預緊力錨桿為核心，提高巷道淺部圍巖的力學性能，控制圍巖塑性破壞范圍的擴展。（2）非對稱原則。工作面采動影響下巷道圍巖出現失穩破壞，主要破壞形式為頂板下沉和煤柱幫內移，應有針對性地支護頂板和煤柱幫；（3）提高圍巖殘余強度的原則。巷道圍巖一定范圍內的塑性破壞不可避免，對破碎圍巖的維護是巷道支護的主要對象，提高破碎煤巖體的殘余強度，盡可能發揮其承載能力，減小巷道表面圍巖的位移。基于以上原則確定1226 瓦斯治理巷返修支護方案為“高強錨桿+金屬網+高強錨索+鋼帶”耦合支護體系，詳細參數如下：頂板錨桿規格為Φ20×3000mm的左旋螺紋鋼，間、排距為900×800mm，錨固劑為MSCKb2380 型和MSK2380 型樹脂藥卷各一支，安裝時預緊力距不低于200N?m，頂板錨桿間通過寬度100mm 的鋼帶聯接。錨索采用規格為Φ21.6×6300mm 的預應力鋼絞線，每排四根，錨固劑為一支MSCKb2380 型和一支MSK2380 型樹脂藥卷，間排距1200×800mm，安裝時預拉力不小于200kN，金屬網為8#菱形金屬網。煤柱幫部支護錨桿規格為Φ20×2400mm 的左旋螺紋鋼，間、排距為750×800mm，錨索采用規格Φ21.6×4300mm 的預應力鋼絞線，間、排距為140×800mm，錨桿采用一支 CK 2380 樹脂藥卷，錨索的錨固方式與頂板相同；臨近1228 工作面一側采用規格為Φ20×2400mm 的玻璃鋼錨桿，間排距為750×800mm，采用一支 CK 2380 樹脂藥卷。1226 瓦斯治理巷返修優化支護方案如圖5 所示。

5 應用效果監測

采用上述優化設計的支護方案對1226 瓦斯治理巷進行返修，為考察支護的效果，采用十字斷面法監測巷道圍巖的位移情況，并采用YGS127（A）型光纖光柵動態監測系統監測錨桿的受力情況[3-4]。結果表明，返修后的1226 瓦斯治理巷，在工作面推進后，巷道圍巖逐漸趨于穩定，最終頂底板總移近量約150mm，頂板下沉量約65mm，底板底鼓量約85mm，煤柱幫內移量約70mm，實體煤幫內移量穩定在45mm 左右，圍巖變形量較小，巷道圍巖得到了有效的控制，能夠滿足作為1228 工作面運輸巷使用的斷面要求。錨桿受力情況監測結果表明，整體支護結構受力較為均勻，支護承載體性能得到了更好的發揮，對巷道圍巖穩定的控制起到了重要作用。

圖 5 1226 瓦斯治理巷返修支護示意圖

6 主要結論和建議

采用FLAC3D軟件分別模擬了1226 瓦斯治理巷的掘進和1226 工作面的回采，得到巷道掘進期間和工作面回采期間圍巖的塑性區分布規律和巷道變形情況，得到1226 瓦斯治理巷圍巖失穩變形的具體情況和內在機理，臨近工作面回采導致圍巖塑性區進一步擴大，頂板和煤柱幫是變形的主要區域。據此提出高強度、非對稱等支護原則，并確定支護方案為“高強錨桿+金屬網+高強錨索+鋼帶”耦合支護體系。現場應用期間通過礦壓監測及錨桿受力監測表明，巷道圍巖變形控制效果良好，成功解決了1226 瓦斯治理巷圍巖失穩破壞的問題。