常村礦25 采區運輸平巷厚層軟弱頂板支護參數優化

武深浩

（山西潞安工程有限公司，山西 長治 046100）

1 概 況

常村煤礦25 采區運輸平巷服務于25 采區運輸系統，巷道沿3 號煤層底板掘進，3 號煤位于山西組的中、下部，為全井田可采，巷道區域煤層總厚為5.6~ 6.27 m，平均厚度為5.97 m，平均傾角為3.5°，煤層直接頂為砂質泥巖，均厚為3.24 m，基本頂為細粒砂巖，均厚為3.81 m，直接底為細砂巖，均厚為1.42 m，基本底為粉砂巖，均厚為3.55 m。25 采區運輸平巷的斷面形狀為矩形，斷面尺寸5 000mm×4 000 mm，支護方式為錨桿+錨網+錨索。在巷道頂部布置6 根螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×900 mm，錨桿規格為φ20 mm×2 000 mm。巷道兩幫錨桿規格與頂板相同，間排距為800 mm×900 mm。巷道兩幫采用金屬錨網，規格為4 000 mm×1 000 mm。頂板錨索間排距2 000 mm×9 00 mm，規格為φ17.8 mm×9 000 mm。支護情況如圖1 所示。25 采區運輸平巷在初始掘進時，礦壓顯現不明顯。當巷道掘進300 m 左右時，巷道頂板出現明顯下沉變形。因此，需要找出巷道變形原因，并提出解決方案，保證今后正常掘進。

圖1 巷道斷面支護示意Fig.1 Roadway section support

2 巷道變形破壞原因及控制技術

為了解原支護體系下運輸平巷的變形破壞特征，在巷道內設置監測點，監測巷道變形情況。通過檢測頂板離層量發現，掘進期間巷道頂板下沉量多在200 mm 以上，頂板上方8 m 范圍內頂板離層量達到140 mm。掘進期間，頂板錨固區外離層的持續發育導致頂板錨索受力急劇增大，巷道幫部煤體破碎，兩幫的變形量平均達到800 mm，網兜現象嚴重。巷道頂板巖層易風化崩解，碎脹變形大并易出現離層冒落，圍巖存在顯著的離層錯位。造成這一現象的主要原因是錨索長度過大造成錨索預緊力作用范圍減小，在拉應力和切應力的共同作用下導致巷道周圍巖層發生剪切變形，頂板下沉變形。針對厚層軟弱頂板巷道，圍巖控制技術的主體為錨桿錨索支護技術。為此，需要研究支護技術，對原有的錨桿錨索進行2 個方面的優化。

（1） 強化頂板承載結構。由于厚層軟弱頂板巷道，其頂板下沉量較大，且易出現頂板整體下沉的現象，故為了保障頂板安全，在厚層軟弱頂板進行支護時，應加大錨索作用范圍，形成有效的應力作用區，控制頂板松動。對于厚層軟弱頂板，存在錨索無法作用到堅硬頂板的現象，基于該特點需縮小錨索間距，使各根錨索間形成的壓應力區域相互疊加，進而將壓應力區域聯結為一個整體，在頂板上形成具有一定承載能力的加固拱。錨索加固如圖2 所示。

圖2 錨索加固拱示意Fig.2 Reinforcement of anchor cable

由于加固拱以內的煤巖體相對處于三軸受力的狀態，使得該部分巖體具有較好的承載性能，加固拱的承載能力與錨索間距、預緊力、長度等有關，其表達式如下：

式中：q為錨索加固拱的承載能力；R為巷道的外接圓半徑；Q為錨索的預緊力；L為錨索的長度；D為錨索的間排距；θ 為煤巖體的內摩擦角。

（2） 頂板幫部協同支護。在巷道頂板下沉的過程中，頂板壓力會逐漸向巷道的兩幫轉移，巷道幫部應力逐漸變大，巷道發生變形破壞。為減小頂板離層量，需要加強幫部支護。由于兩幫煤體的強度較低，且幫部的破壞形式主要為煤體交界面的滑移和壓剪破壞。針對厚層軟弱頂板煤幫的加固，可通過采用錨桿與短錨索聯合支護的形式，提高巷道幫部強度，詳細的支護機理如圖3 所示。錨桿錨索共同支護的體系提高了幫部的支護強度，形成巷道強幫護頂的整體支護形式。

圖3 巷道幫部錨索錨桿支護示意Fig.3 Anchor cable and bolt support at roadway side

3 巷道支護優化

3.1 加強頂板控制

將現場實際地質情況同巷道圍巖控制技術相結合，對原有支護方案進行優化改進。

（1） 運輸平巷全長2 000 m，巷道斷面為矩形，規格為5 000 mm×4 000 mm。

（2） 頂板的支護錨桿規格為φ22 mm×2 500 mm，間排距880 mm×800 mm。采用1 卷Z2360 樹脂錨固劑。頂板鋼筋梯梁的規格為4 900 mm×88 mm，金屬網規格為2 550 mm×1 050 mm。

（3） 幫部錨桿與頂板相同，間排距為850 mm×800 mm。鋼筋梯梁的規格為2 000 mm×88 mm。

（4） 頂板的錨索規格為φ21.8 mm×7 300 mm。間排距1 200 mm×800 mm，布置在2 排錨桿中間。采用2 卷Z2360 樹脂錨固劑。

（5） 巷道幫部布置2 根中空注漿錨索，間排距1 500 mm×1 600 mm，規格為φ21.8 mm×4 000 mm。實體煤側的錨索規格為φ21.8 mm×5 000 mm。后期為了降低支護成本，將中空注漿錨索調整為普通錨索。優化后的巷道斷面如圖4 所示。

圖4 巷道斷面支護參數Fig.4 Supporting parameters of roadway section

3.2 巷道支護效果模擬

根據25 采區運輸平巷的實際地質情況，借鑒類似工況經驗，通過FlAC3D 軟件，采用摩爾- 庫倫本構模型建立常村礦25 采區運輸平巷支護模型。結合現場的實測情況，模型Y 方向施加載荷15 MPa，X 方向位移約束，底部垂直方向位移約束。模擬模型尺寸設置為60 m×60 m×10 m，巷道斷面為5 m×4 m。根據頂底板的巖性，賦予相應的力學參數，并進行巷道開挖，分析巷道變形。模擬結果如圖5 所示。

圖5 支護優化前后圍巖塑性區和位移分布Fig. 5 Surrounding rock plastic zone and displacement distribution before and after support optimization

模擬結果顯示，支護優化前巷道兩幫和頂板破壞較大。優化后，破壞范圍明顯變小，頂板及兩幫破壞深度由2.2 m 減小到0.9 m，改善效果明顯。在模型中設置測點進行巷道圍巖變形監測，優化后各部位圍巖變形量明顯減小，頂板、底板、幫部變形量分別由81.3、108.6、551 mm 減小至37.2、47.3、298 mm，分別減小了54.2%、56.4%、45.9%?？梢?，優化后可有效抑制圍巖塑性區向深部發展，確保巷道圍巖的穩定。

3.3 現場應用及效果分析

應用優化方案后，在巷道表面不同地方設置數個監測點，觀察巷道變形量。圖6 為巷道變形量監測圖。

圖6 巷道變形量監測曲線Fig.6 Monitoring curve of roadway deformation

由巷道變形監測曲線可知，優化后頂板的最大下沉量約為75 mm，煤幫的變形量約為300 mm，實體煤幫變形量約為380 mm，巷道兩幫的變形量約為700 mm，巷道變形量得到了有效的控制。

在應用優化后的支護方案后，運輸平巷的兩幫及頂底板的變形量均控制在允許范圍內，能夠滿足巷道通風及行人的要求，雖然靠近工作面側的巷幫變形相對較大，但是巷道的整體控制良好，因此可以斷定25 采區運輸平巷支護合理。

4 結 語

常村礦巷道頂板為軟弱厚層頂板，通過現場實測發現，巷道產生變形的主要原因是錨索過長，預緊力作用范圍變小。在結合現場實際情況后，利用頂巷道圍巖控制技術對原支護方案進行了改進，得到錨桿+錨索+錨網的聯合支護方案。經過數值模擬及現場實測，該支護體系能夠確保25 采區運輸平巷在今后的掘進工作中正常安全的使用。