開(kāi)元煤礦15401進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)方案優(yōu)化及應(yīng)用研究

吳楊生

（陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開(kāi)元礦業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)泉045400）

1 工程概況

陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開(kāi)元礦業(yè)有限責(zé)任公司前身為黃丹溝煤礦，2008年擴(kuò)建后生產(chǎn)能力大3Mt/a，現(xiàn)階段主要開(kāi)采15#煤層，煤層厚度由北向南，由東向西逐漸變薄，15#煤厚度為4.78～2.58m，平均4.25m，含夾矸0～3層，巖性為泥巖，一般小于0.20m。15401工作面地面位于放馬溝村以南、上峪村以西、石人溝村（已搬遷）的山梁溝谷地帶，有部分樹(shù)林分布。開(kāi)元煤礦屬于高瓦斯礦井，為滿足通風(fēng)要求，15401工作面布置四條回采巷道，如圖1所示。15401工作面老頂為石灰?guī)r，致密堅(jiān)硬，均厚5.8m；直接頂為黑色泥巖，富含植物化石，強(qiáng)度較低，均厚6.8m；直接底為砂質(zhì)泥巖，性脆，含大量植物根莖化石，均厚3.5m；老底為細(xì)粒砂巖，石英為主，其次長(zhǎng)石，均厚4.6m。根據(jù)15#煤層綜合地質(zhì)資料，15401輔助進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間共需揭露4個(gè)陷落柱，規(guī)模分別為：X2（距開(kāi)口24～89m，規(guī)模：146×78m）、X4（距開(kāi)口108～169m，規(guī)模：56×26m）、X5（距開(kāi)口248～359m，規(guī)模：67×40m）、X6（距開(kāi)口451～689m，規(guī)模：96×34m）。

圖1 巷道布置詳情

2 原有支護(hù)體系及礦壓特征

2.1 15401進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)現(xiàn)狀

15401進(jìn)風(fēng)巷采用矩形斷面，巷道寬度為5.2m，高度3.0m，掘進(jìn)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，頂板采用桿體為BHRB500鋼材的MSGLW500/18×2000高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1000mm，每排6根，配合規(guī)格為BHW4-220-5000-1175-6的W型鋼帶護(hù)頂，錨桿安裝時(shí)采用規(guī)格為MSK2335和MSZ2360樹(shù)脂藥卷各一支，錨固力不低于100kN。預(yù)緊力距不小于150N·m；頂板錨索采用Φ17.8-1×7-6300mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為2500×3000mm，每排兩根，錨固劑為一支MSK2335和兩支MSZ2360樹(shù)脂藥卷，錨固力要求不小于300kN，預(yù)應(yīng)力不小于200kN，錨索托盤采用14#槽鋼配合平托盤進(jìn)行支護(hù)。兩幫錨桿規(guī)格與頂板相同，間排距為1000mm，均沿水平方向垂直巷幫施工，錨固劑為一支MSK2360樹(shù)脂藥卷，錨固力不小于50kN，預(yù)緊力距不小于40N·m。巷道表面采用10#冷拉鐵絲編制的菱形網(wǎng)，型號(hào)為L(zhǎng)W10#/50×50，網(wǎng)片橫向搭接寬度不小于100mm，頂網(wǎng)和兩幫網(wǎng)片搭接寬度不小于100mm。

2.2 15401進(jìn)風(fēng)巷破壞特征

15401進(jìn)風(fēng)巷采用上述支護(hù)方案掘進(jìn)了280m，輔助進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)了315m，掘巷后，巷道表面出現(xiàn)較大的變形破壞，預(yù)計(jì)無(wú)法滿足工作面生產(chǎn)的斷面，且兩條巷道地質(zhì)條件非常相似，故意15401進(jìn)風(fēng)巷為對(duì)象，進(jìn)行其圍巖控制技術(shù)的研究。15401進(jìn)風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1235m，現(xiàn)已掘進(jìn)280m，為掌握圍巖變形的具體情況，待巷道圍巖穩(wěn)定后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行表面位移量測(cè)量，結(jié)果表明，巷道頂板下沉量大多在100～300mm之間，局部頂板下沉嚴(yán)重，最大可達(dá)600mm，兩幫相對(duì)移近量多在200～500mm之間，局部達(dá)到800～950mm，存在明顯的網(wǎng)兜現(xiàn)象，底板底鼓不明顯，基本小于150mm，綜上表明，巷道采用原支護(hù)方案頂板下沉量和兩幫移近量較大，已經(jīng)嚴(yán)重影響巷道的正常使用。

圖2 三維數(shù)值模型示意圖

3 15401進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)方案模擬研究

為確定15401進(jìn)風(fēng)巷的最佳支護(hù)方案，采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬分析[1～3]，為確保模型的真實(shí)性，首先在工作面取樣測(cè)定各巖層的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，根據(jù)15401工作面采掘條件及地質(zhì)條件建立圖2所示的模型，模型尺寸（長(zhǎng)、寬、高）為100m、10m、30m，巷道斷面尺寸（寬×高）為5×3m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，上覆巖層等效載荷為10.5MPa，測(cè)壓系數(shù)為1.2，模型四周邊界水平位移施加約束，模型底部邊界為固定約束。煤巖體服從摩爾——庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，各巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果可知，15401進(jìn)風(fēng)巷采用原有支護(hù)方案掘進(jìn)期間，頂板下沉和兩幫移近變形較為嚴(yán)重，原有支護(hù)方案無(wú)法有效控制圍巖的變形，因此可通過(guò)提高支護(hù)強(qiáng)度來(lái)改善支護(hù)效果。通過(guò)調(diào)整錨桿、錨索的長(zhǎng)度、布置參數(shù)來(lái)調(diào)整支護(hù)強(qiáng)度，錨桿直徑增大為20mm，錨索直徑為17.8mm。參考類似地質(zhì)條件下巷道支護(hù)的成功案例[4～5]，初步提出以下五個(gè)備選支護(hù)方案，詳見(jiàn)表2。

表2 各支護(hù)方案詳情

依據(jù)上述支護(hù)方案分別進(jìn)行進(jìn)風(fēng)巷和輔助進(jìn)風(fēng)巷的開(kāi)挖，采用Cable單元模擬錨桿和錨索，模型計(jì)算平衡后，記錄進(jìn)風(fēng)巷表面的位移量，整理得到圖3所示的結(jié)果。

圖3 巷道表面位移量數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)表2所示支護(hù)方案的參數(shù)可以看出，支護(hù)方案由一到五，錨桿、錨索長(zhǎng)度和布密度逐漸降低，由圖3所示統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，巷道表面的位移量逐漸的增大，方案一～方案三，巷道表面最大變形量增加不明顯，以頂板最大下沉量為例，方案三與方案一相比，僅增大16%，巷道表面變形量均保持在較低水平，圍巖整體穩(wěn)定；方案三～方案五，巷道表面位移量明顯增大，方案四與方案三相比，頂板下沉量增大49%，方案五與方案三相比，頂板下沉量增大135%，方案四、方案五條件下，巷道表面變形量增大明顯。綜上所述，采用支護(hù)方案三既能取得較好的圍巖控制效果又經(jīng)濟(jì)合理。

4 15401進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)方案及應(yīng)用效果

4.1 進(jìn)風(fēng)巷優(yōu)化后的支護(hù)

圖4 15401進(jìn)風(fēng)巷優(yōu)化后支護(hù)詳情

根據(jù)15401進(jìn)風(fēng)巷原有支護(hù)條件下的圍巖變形特征，結(jié)合前文對(duì)巷道支護(hù)方案的模擬分析，優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖4所示。所有錨桿桿體規(guī)格為φ20-M22-2000的無(wú)縱筋螺紋鋼，鋼號(hào)為500#，錨桿間排距900×1000mm，采用MSCK2330和MSZ2350樹(shù)脂藥卷各一支雙速樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，錨桿鉆孔采用直徑28mm的鉆頭施工，錨桿配套使用承載能力不低于210kN的平托盤及螺母，頂板錨桿間通過(guò)規(guī)格（長(zhǎng)、厚、寬）為4800mm、4mm、280mm的W鋼帶聯(lián)結(jié)，幫錨桿采用W鋼護(hù)板配合托盤進(jìn)行支護(hù)。頂板錨索采用直徑17.8mm、長(zhǎng)度6300mm的鋼絞線，錨固劑為一支MSCK2330和兩支MSZ2350樹(shù)脂藥卷，采用“二二”布置，間排距為1800×1000mm，兩幫錨索采用直徑17.8mm、長(zhǎng)度4200mm的鋼絞線，每排兩根，距離巷道底板600mm，間排距為1400×2000mm。

4.2 支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

為驗(yàn)證優(yōu)化后的支護(hù)方案的圍巖控制效果，15401進(jìn)風(fēng)巷采用優(yōu)化后的支護(hù)方案掘進(jìn)期間，每間隔50m布置測(cè)站，監(jiān)測(cè)頂板下沉量及兩幫相對(duì)移近量，整理得到圖5所示的結(jié)果，1#測(cè)站位于距開(kāi)口310m處（采用優(yōu)化后的支護(hù)方案掘進(jìn)30m），成巷初期，巷道變形速率較快，頂板下沉速率最大達(dá)到6.8mm/d，兩幫移近速率最大達(dá)4.55mm/d，成巷18天后，巷道變形速率明顯減小，圍巖逐漸穩(wěn)定，最終頂板下沉量為25.3mm，兩幫移近量為22.3mm，圍巖變形量很小，整體穩(wěn)定。3#測(cè)站位于距開(kāi)口410m處（采用優(yōu)化后的支護(hù)方案掘進(jìn)130m），巷道變形規(guī)律與1#測(cè)站類似，最終頂板下沉量為22.5mm，兩幫移近量為18.6mm，變形量很小。綜上可知，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，15401進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間，巷道表面變形量很小，圍巖整體穩(wěn)定，支護(hù)效果良好。

圖5 15401進(jìn)風(fēng)巷表面變化規(guī)律

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)開(kāi)元煤礦15401進(jìn)風(fēng)巷表面變形情況現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明，現(xiàn)有支護(hù)方案條件下，巷道頂板下沉和兩幫收斂變形嚴(yán)重，已無(wú)法滿足正常使用的斷面需求，以提高支護(hù)強(qiáng)度為目的，提出多個(gè)備選支護(hù)方案，數(shù)值模擬分析得出最為經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)方案，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，頂板下沉量穩(wěn)定在30mm以下，兩幫相對(duì)移近量穩(wěn)定在25mm以下，巷道表面變形量很小，支護(hù)效果良好，成功解決了掘進(jìn)期間表面位移量過(guò)大的問(wèn)題。