大陽煤礦3405 工作面順槽支護參數優化研究

申 凱

（山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦分公司，山西 晉城 048000）

隨著煤礦采深的逐年增加，礦壓加劇、巷道變形、沖擊地壓等情況日趨嚴重。在目前國內主要產煤地區的淺部煤炭資源開采量巨大，大多礦井已進入深部開采階段。在大陽煤礦開采過程中，由于頂板局部含有粗粉砂巖成分，該成分以粘土類礦物為主，強度較弱，存在局部支護效果較差的情況，對巷道支護的穩定性造成了一定的影響。

1 概況

大陽煤礦位于晉城市澤州縣大陽鎮香山腳下，生產規模1.8 Mt/a，主要可采煤層為3 號煤層。3 號煤層偽頂為灰黑色泥巖，厚度為0～0.5 m；直接頂為灰黑色泥巖，局部有粗粉砂巖，中上部有小煤層，平均厚度為4.3 m；基本頂為灰色中砂巖，平均厚度為8.8 m，硅鈣質膠結，局部含大量白云母片，有時含炭質條帶。3 號煤層直接底為灰黑色泥巖或細粉砂巖，平均厚度為9.0 m；基本底為灰色石英砂巖，鈣質膠接，分選中等，次菱角狀顆粒，平均厚度為2.25 m。四采區為主采區，回采工作面采用三巷布置方式，一進兩回，軌道順槽和回風順槽沿煤層底板布置，輔助回風順槽位于回風順槽內側且沿煤層頂板布置。四采區走向長2.3 km，傾向斜長1.2 km。四采區3 號煤層平均煤厚5.26 m。3405 工作面采用全部垮落法管理頂板，沿煤層頂板布置，布置長度1280 m，推進長度1137 m。

3405 軌道順槽頂板采用“錨網索+鋼筋梯子梁”聯合支護，支護斷面圖如圖1 所示。頂板錨桿采用Ф20 mm×2400 mm 左旋無縱筋等強螺紋鋼，間距1000 mm；錨索采用Ф17.8 mm×6300 mm，排距2200 mm；兩幫采用Ф18 mm×1800 mm 左旋螺紋鋼錨桿進行支護，間排距1000 mm×1100 mm；鋼筋網用鋼筋焊接，網孔尺寸為100 mm×100 mm 的正方形網，用15#鐵絲捆綁打結。

3405 軌道順槽直接頂為灰黑色泥巖，局部有粗粉砂巖，頂板礦物成分以粘土類礦物為主，強度較弱，局部支護效果較差，容易造成巷道失穩。當3405 工作面正常開采遭遇泥巖時，會發生卡鉆、錨固劑丟失等情況，有必要對3405 軌道順槽的支護參數進行再優化。

圖1 大陽煤礦3405 軌道順槽原始支護斷面圖

2 巷道支護數值模擬

2.1 物理模型

3405 軌道順槽支護模擬采用FLAC3D5.00 軟件，建立尺寸為55 m×4 m×44 m 的物理模型并施加摩爾庫倫本構關系。由于本次模型的重點是對主影響區內巷道變形情況進行分析，且由于巷道塑性變形的影響范圍集中在巷道尺寸3～5 倍之內，故采用放射狀網格進行劃分：在3 倍巷道尺寸（5.4 m×3.0 m）的主影響范圍內采用0.1～0.5 m 網格；在3～5 倍范圍內，即次要影響區采用0.5～1 m 網格。

2.2 數值模擬方案設計

結合煤礦實際情況，在保證安全和節約成本的前提下，提出如下支護方案：采用“錨桿+錨索+金屬網+鋼筋梯子梁”聯合支護，頂板錨桿采用Ф20 mm×2400 mm 左旋無縱筋等強螺紋鋼，間距為900 mm，排距為1000 mm；錨索采用規格為Ф17.8 mm×6300 mm，間距為1800 mm，排距2000 mm，每排兩根；兩幫支護錨桿選用規格為Ф18 mm×1800 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間距為900 mm，排距1000 mm；金屬用Φ6.5 mm 鋼筋焊接，網孔尺寸為100 mm 的正方形網，網片搭接寬度為100 mm，用16#鐵絲三花式捆綁，扭結3 圈，每間隔200 mm 進行捆綁一次。

2.3 數值模擬結果分析

圖2 為3405 軌道順槽在掘進期間垂直應力分布示意圖。在巷道掘進期間頂板應力云圖呈啞鈴狀分布，在巷道周圍出現明顯的應力集中現象且兩幫處最為明顯，最高峰值可達26.5 MPa，之后應力隨距巷道邊緣處距離不斷增大而衰弱。

圖3 為3405 軌道順槽在掘進期間塑性區分布示意圖。巷道周圍全都分布有塑性破壞，其中多以剪切破壞為主，兩幫與底板塑性破壞程度相近，均在1.0 m 左右；頂板破壞程度較為嚴重，在中心位置有拉伸破壞出現，其塑性區高度普遍＞1.5 m，最高處可達2.0 m。

圖2 3405 軌道順槽掘進期間應力分布云圖

圖3 3405 軌道順槽掘進期間塑性區分布示意圖

3 工業性試驗

在結合數值模擬研究結果后，于3405 軌道順槽選取長度約100 m 的現場實測段進行工業性試驗，優化后的支護斷面圖如圖4，施工流程如下。

（1）錨桿施工工藝流程

敲幫問頂后→掛網→掛鋼筋梯子梁→用礦用氣動錨桿鉆機鉆頂板中部錨桿孔、清孔→安裝錨固劑（1 卷S2360 和1 卷Z2360）和錨桿并擰緊螺母→鉆頂板中旁錨桿孔、清孔→安裝錨桿、擰緊螺母→鉆頂板邊錨桿孔、清孔→安裝錨桿、擰緊螺母→鉆頂板邊斜（角）錨桿孔、清孔→安裝錨桿、擰緊螺母。

（2）錨索施工工藝流程

用氣動錨桿錨索鉆機鉆錨索孔→清孔→安裝錨固劑（先放一支S2360 錨固劑，再放兩支Z2360 錨固劑）和錨索→升起錨索鉆機并用攪拌器連接鉆機和錨索尾部→用錨索鉆機攪拌錨固劑→停止攪拌待1min 后→收縮錨桿鉆機，卸掉攪拌器再等15 min →安裝托盤與錨具→用張拉千斤頂張拉到設計預緊力→卸下千斤頂。

在施工順利完成后，進行30 d 的觀測，如圖5。結果發現：在進行支護參數優化后的3405 軌道順槽頂板下沉量均＜1 mm/d，在觀測的前10 d 變化幅度較大，在15 d 后最終頂板下沉量控制在22 mm后趨于穩定；兩幫移進量＜1 mm/d，在25 d 后達到11 mm 趨于穩定。

圖4 大陽煤礦3405 軌道順槽優化支護斷面圖

圖5 優化后巷道變形監測效果圖

4 頂板管理措施及建議

（1）巷道掘進施工過程中，安排專人按不小于30%的比例和不大于3 d 的時間間隔采用示值力矩扳手對錨桿螺母預緊力力矩進行抽檢，頂板錨桿達到120 N·m 即為合格，巷幫錨桿達到100 N·m 即為合格。如發現不合格錨桿，應當班重新擰緊至合格。

（2）成立礦壓觀測組，工作面初次放頂前，要在工作面設礦壓觀測點，實行現場連續觀測，對上、下出口，上、下順槽及工作面煤幫班班檢查，并向相關技術部門匯報情況，以指導工作面頂板管理，保證安全生產。超前支護的單體柱一定要達到初撐力，不低于110 kN。

（3）端頭老塘懸頂面積大于2×5 m2而不垮落，必須將順槽錨索退出，若退出錨索后仍無法使采空區頂板垮落必須超前工作面對采空區強制放頂，到時要結合具體情況另行制定專門措施。

（4）每隔20 m，或遇到煤層變軟變酥、頂板淋水、瓦斯增大、煤層節理裂隙發育、片幫等情況，必須對煤體進行可錨性試驗，如發生明顯變化，應根據現場實際情況重新確定支護方式。

5 結論

（1）通過FLAC3D5.0 數值模擬，對3405 軌道順槽支護參數優化后，巷道圍巖穩定性大幅增強，圍巖塑性區在優化后的范圍較原方案減少30%；

（2）現場實測結果表明，進行支護參數優化后的3405 軌道順槽頂板下沉量均＜1 mm/d，在觀測的前10 d 變化幅度較大，15 d 后最終頂板下沉量控制在22 mm 后趨于穩定；兩幫移進量＜1 mm/d，在25 d 后達到11 mm 趨于穩定。