小峪煤礦8104工作面進風巷支護設計探索

王 偉

（晉能控股煤業集團朔煤小峪煤業有限公司，山西 朔州 038300）

我國煤礦以井工開采方式為主[1-4]，回采巷道是礦井較易發生冒頂片幫等安全事故的場所之一。因此，維持回采巷道的穩定是礦井安全生產的重要保障[5-7]。本文以同煤集團朔州煤電公司小峪煤礦8104 工作面進風巷為背景，通過數值模擬方法對比了3 種支護方案條件下巷道圍巖塑性區分布、應力分布及位移情況，確定了巷道支護參數，也為同類巷道支護設計提供了借鑒。

1 工程概況

同煤集團朔州煤電公司小峪煤礦位于大同市懷仁境內。礦井當前主采19#煤層，19#煤層平均厚7.94 m。煤層結構從上到下分別為“糟糕煤”、泥巖、“尺八煤”、高嶺巖，“四四煤”，上段“糟糕煤”平均厚3.35 m，泥巖平均厚0.20 m。中段“尺八煤”平均厚0.42 m，高嶺巖平均厚1.44 m，下段 “四四煤”平均厚2.53 m。煤層直接頂為砂質泥巖，普氏硬度系數3～5，直接底為砂質泥巖，普氏硬度系數3～5、老底為中粒砂巖，普氏硬度系數4～6，見表1。

表1 煤層頂底板情況

8104 工作面進風巷設計長度為860 m，巷道斷面尺寸為5.4 m×4.0 m。巷道對應地表位于水泉溝、大黃溝北部，大西溝西部，上部有大西溝支溝發育，無任何建筑物。地面標高+1 341～+1 295 m，巷道標高+1 137～+1 145 m。

2 巷道支護方案模擬研究

2.1 數值模型的建立

根據8104 工作面進風巷頂底板巖層巖性及厚度特征，建立數值計算模型[6-7]。數值計算模型尺寸為42 m×42 m×50 m，模型上邊界施加4.5 MPa（180 m×25 000 kN/m3）垂直應力模擬上覆巖層作用于模型上邊界的重力，其他邊界為位移邊界。采用摩爾-庫倫本構模型，煤巖層力學參數見表2。

表2 煤巖物理力學參數

結合該礦19#煤層其他工作面回采巷道支護情況，決定采用“錨桿+錨索+金屬網” 聯合支護方式。目前，小峪煤礦常用錨桿長度分別為2.4 m 和2.8 m，錨索長度分別為8 m 和10 m。根據小峪煤礦現有錨桿/索的長度及鄰近工作面支護參數設置情況，分別設計不同錨桿長度及預緊力條件下的三種方案，見表3。

表3 模擬支護設計方案

2.2 模擬結果分析

（1）巷道塑性區分布

不同支護方案條件下巷道塑性區分布見圖1。由圖1可知，支護方案3 條件下，由于巷道支護程度最低，巷道圍巖塑性區最為發育，塑性區呈蝶形。支護方案1 及方案2 條件下，巷道兩幫處的塑性區范圍較小，但塑性區深度與方案3 基本相同。而方案1 及方案2 條件下巷道頂板及底板圍巖塑性區范圍及深度均小于方案3。相較于方案3，方案1 條件下巷道圍巖塑性區范圍減小了23%，方案2 條件下巷道圍巖塑性區范圍減小了14%。

圖1 不同支護方案條件下巷道塑性區分布

（2）巷道圍巖應力分布

不同支護方案條件下巷道圍巖應力分布情況見圖2。由圖2可知，支護方案3 條件下，巷道圍巖應力集中程度最為嚴重，最大應力位于巷道頂板，達到5.7 MPa，而巷道兩幫圍巖應力為1.6 MPa。相較于支護方案3，方案1 及方案2 條件下圍巖應力集中程度大大降低，同時應力集中范圍也大大減小；支護方案1 條件下，最大應力為4.0 MPa，支護方案2 條件下，最大應力為4.3 MPa，兩者相差較小。這說明，相較于錨桿/索的長度因素，錨桿/索的預緊力為影響巷道圍巖應力分布的次要因素。

圖2 不同支護方案條件下巷道圍巖應力分布（單位/MPa）

（3）巷道圍巖位移情況

不同支護方案條件下巷道圍巖變形情況見圖3。由圖3可知，3 種支護方案條件下，巷道圍巖變形主要發生在巷道兩幫，而巷道頂底板變形較小。支護方案3 條件下，巷道圍巖變形最為嚴重，巷道兩幫最大的變形量為380 mm；而支護方案1 及方案2條件下，巷道兩幫位移分別為130 mm 及280 mm。這說明加長錨桿/索長度雖然可以在一定程度上改善巷道圍巖應力集中情況，但對于巷道圍巖變形的控制能力較差。

圖3 不同支護方案條件下巷道圍巖變形情況（單位/mm）

3 現場應用

根據上述模擬結果，礦方采用了支護方案1 所示的支護參數。分別在巷道頂板布置錨桿5 根、錨索2 根，錨桿材料為18 mm 左旋螺紋鋼，長度為2 800 mm，間排距為1 150 mm×1 500 mm，巷道兩端錨桿分別向巷道外側傾斜20°布置，其余錨桿則垂直于頂板布置。錨索材料為直徑18 mm 鋼絞線，長度為10 000 mm，間排距為2 300 mm×1 500 mm。巷道靠工作面煤體幫采用玻璃鋼錨桿，靠煤柱煤體幫采用左旋螺紋鋼錨桿，參數與頂板錨桿一致，并在正幫吊掛錨網以防破碎煤巖掉落而造成安全事故，見圖4。

圖4 巷道支護設計

為驗證巷道支護效果，分別在巷道兩幫和頂板布置位移測站。8104 工作面生產期間分別對巷道頂板移近量及兩幫移近量進行監測，圍巖變形監測結果見圖5。由圖5可知，在距工作面煤壁距離大于40 m 時，巷道圍巖基本沒有受到超前支承壓力影響而發生嚴重變形，巷道頂板移近量及兩幫移近量僅表現為緩慢增加。這表明該支護設計下巷道圍巖得到了有效控制，圍巖沒有發生進一步的變形及破壞。當工作面距離巷道小于40 m 時，巷道開始受超前支承壓力影響而發生較大程度的變形。當工作面到達測站位置時，巷道頂板最大移近量達到93.6 mm，兩幫最大移近量達到70.8 mm，圍巖變形速度增長仍能夠得到很好的控制，表明現有支護能夠保證巷道圍巖穩定性。

圖5 測點距工作面不同距離時圍巖變形量

4 結語

巷道圍巖應力受錨桿/索長度影響較大，增大錨桿/索長度可以有效控制巷道圍巖應力集中程度；而錨桿/索預緊力對巷道圍巖應力集中程度影響較小。但錨桿/索長度及預緊力在控制巷道圍巖變形方面均能夠起到明顯作用。現場對8104 工作面開采期間巷道圍巖變形量進行監測，結果表明，巷道頂板最大移近量為93.6 mm，兩幫最大移近量為70.8 mm，說明現有支護能夠較好維持巷道圍巖的穩定性。