采動(dòng)影響巷道圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

孟小強(qiáng)

（汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦，山西 孝義 032300）

引言

確保巷道圍巖穩(wěn)定是煤炭開采時(shí)需要重點(diǎn)解決的問題，但是隨著礦井開采強(qiáng)度的增加，回采巷道受采動(dòng)影響更為明顯，部分巷道在采動(dòng)動(dòng)壓影響下變形嚴(yán)重[1]。分析采動(dòng)影響巷道圍巖變形特征并針對(duì)性提出圍巖控制技術(shù)方案對(duì)確保煤炭安全高效開采具有重要意義[2]。為此，眾多的研究學(xué)者就采動(dòng)動(dòng)壓對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響展開研究，其中康紅普等[3]采用數(shù)字模擬技術(shù)對(duì)深部開采沿空留巷巷道圍巖變形特征進(jìn)行分析；嚴(yán)紅等[4]采用現(xiàn)場實(shí)測方法對(duì)受動(dòng)壓影響的大斷面煤巷變形特征進(jìn)行探討；張志康、吳順川等[5]提出采用錨網(wǎng)噴支護(hù)、注漿加固以及架棚支護(hù)等方式控制動(dòng)壓影響巷道圍巖變形。上述研究成果為動(dòng)壓巷道圍巖控制提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)借鑒，文中基于上述研究成果并以山西某礦8503 運(yùn)輸巷圍巖控制為工程背景，對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。研究成果可為礦井后續(xù)采面動(dòng)壓影響巷道支護(hù)提供借鑒。

1 工程概況

山西某礦8503 采面工作面埋深平均520 m，開采山西組5 號(hào)煤層，煤層厚度均值為6.5 m，傾角在10°以內(nèi)，采用綜放開采工藝，采高、放頂煤高度分別為3.2 m、3.3 m。8503 工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長度為2 000 m，切眼斜長為300 m。8503 運(yùn)輸巷采用錨桿+錨索+廢棄鋼絲繩相結(jié)合的聯(lián)合支護(hù)工藝，頂板、巷幫錨桿分別為φ20 mm×2 200 mm、φ16 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，均按照800 mm×800 mm間排距布置；錨索為15.24 mm×6 000 mm 鋼絞線，并與豎向方向有15°夾角，按照1 000 mm×1 000 mm間排距布置。具體8503 運(yùn)輸巷支護(hù)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 8503 運(yùn)輸巷支護(hù)設(shè)計(jì)（單位：mm）

8503 運(yùn)輸巷在超前工作面20 m 范圍內(nèi)采用DW 單體支柱配合工字鋼按照0.9 m 間距組成邁步式抬棚進(jìn)行支護(hù)。但是受到采面采動(dòng)動(dòng)壓影響，巷道圍巖變形嚴(yán)重，在超前支護(hù)段部分工作鋼出現(xiàn)明顯彎曲，給巷道正常使用以及采面回采安全帶來一定的安全威脅。從現(xiàn)場圍巖變形情況來分析，發(fā)現(xiàn)8503運(yùn)輸巷原支護(hù)參數(shù)不合理、錨網(wǎng)索支護(hù)強(qiáng)度不夠以及鋼絲繩未發(fā)揮支護(hù)效果等是導(dǎo)致巷道圍巖變形量較大的主要原因，因此，需要針對(duì)性對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

合理的支護(hù)參數(shù)不僅可有效控制圍巖變形，而且可為采面快速回采創(chuàng)造良好條件[6]。針對(duì)8503 運(yùn)輸巷實(shí)際情況，提出下述三種通過改變錨桿間排距以及在頂板增加布置槽鋼等方式增加圍巖支護(hù)強(qiáng)度，并通過數(shù)值模擬分析不同支護(hù)方式下的圍巖控制效果。具體不同的圍巖支護(hù)方案為:

方案I，錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)保持不變，即巷道按照原支護(hù)參數(shù)控制圍巖變形；

方案II，錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)保持不變，在頂板上增加槽鋼控制巖層變形；

方案III，錨桿間排距由800 mm×800 mm 增加至1 000 mm×1 000 mm，并在頂板上增加布置槽鋼控制巖層變形。

為了便于掌握不同支護(hù)方案下圍巖控制效果，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)圍巖塑形區(qū)分布情況、圍巖變形量等進(jìn)行分析。從模擬結(jié)果看出，隨著圍巖應(yīng)力集中系數(shù)K的不斷增加，塑性區(qū)分布呈現(xiàn)明顯的差異。當(dāng)K=1 時(shí)，三種圍巖支護(hù)方案塑性區(qū)集中分布在巷道頂?shù)装迮c巷幫交匯的幫角位置，且塑性區(qū)分布范圍相對(duì)較小；當(dāng)K=2 時(shí)，三種圍巖支護(hù)方案塑性區(qū)范圍均呈現(xiàn)一定程度的增加，方案II的塑性區(qū)分布范圍最小，方案I 及方案III 巷幫位置已無明顯的彈性區(qū)范圍；當(dāng)K=3 時(shí)，方案III 塑性區(qū)分布范圍最廣泛且分布深度最大，方案II 較方案I 塑性區(qū)分布范圍明顯降低，主要表現(xiàn)在頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍明顯減小、巷幫塑性區(qū)范圍則基本接近。具體不同K值下圍巖塑性區(qū)破壞深度見表1。從表1 看出，方案II 相對(duì)于方案I 在頂板增加布置槽型鋼，可在一定程度上降低塑性區(qū)分布深度；方案III 相對(duì)于方案II增加錨桿間距，隨著錨桿間距增加圍巖塑性區(qū)深度呈增加趨勢。

表1 不同K 值下圍巖塑性區(qū)破壞深度mm

不同K 值下圍巖變形量見表2 所示。

表2 不同K 值下圍巖變形量mm

從表2 看出，當(dāng)K=1 時(shí)（即巷道處于原巖應(yīng)力狀態(tài)）不同支護(hù)方案下圍巖變形量均較小；隨著K值增加，圍巖變形量隨著應(yīng)力集中程度增加而增大，其中方案II 時(shí)圍巖變形量最小。

通過綜合對(duì)比分析，最終選用方案II 來對(duì)采動(dòng)動(dòng)壓影響巷道圍巖進(jìn)行控制，即為在原有的支護(hù)參數(shù)基礎(chǔ)上增加布置工字鋼，并與錨索相連接，增加頂板支護(hù)強(qiáng)度。

3 支護(hù)效果分析

在8503 運(yùn)輸巷支護(hù)時(shí)在頂板上增加布置工字鋼提高圍巖支護(hù)強(qiáng)度，降低變形量。在巷道支護(hù)完成后布置測點(diǎn)對(duì)圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測，具體測點(diǎn)布置見圖2 所示。

圖2 運(yùn)輸巷圍巖變形量監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

從圍巖變形量監(jiān)測結(jié)果看出，1—5 號(hào)測點(diǎn)在支護(hù)完成15 d 后頂?shù)装謇鄯e變形量分別為193 mm、175 mm、161 mm、145 mm 以及126 mm；巷幫累積變形量為128 mm、116 mm、107 mm、96 mm 以及84 mm。測點(diǎn)距離采面越近，受到采動(dòng)動(dòng)壓越明顯，圍巖變形量越大。從圍巖變形監(jiān)測結(jié)果看出，通過在巷道頂板上增加布置工字鋼有效提高了動(dòng)壓影響巷道圍巖控制效果，可滿足采面安全生產(chǎn)需要。

4 結(jié)論

1）采動(dòng)影響巷道圍巖應(yīng)力集中，導(dǎo)致巷道圍巖控制難度增加，同時(shí)隨著巷道圍巖應(yīng)力集中程度增加，巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍以及圍巖變形量呈增加趨勢。

2）采用模擬分析方法對(duì)不同巷道支護(hù)方案下的圍巖塑性區(qū)分布、變形量情況進(jìn)行分析，最終決定通過在巷道頂板上增加工字鋼方式提高圍巖支護(hù)強(qiáng)度，降低動(dòng)壓影響。

3）現(xiàn)場應(yīng)用后8503 運(yùn)輸巷圍巖變形量較原支護(hù)方案明顯降低，取得較好的巷道圍巖控制效果。