孟家窯煤礦11505特厚煤層工作面回采巷道圍巖控制技術研究

賈春濤

（潞安集團潞寧孟家窯煤業有限公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

山西潞安集團孟家窯煤業有限公司11505工作面位于11采區，地面標高為1 732～1 802 m，井下標高為1 464～1 588 m，工作面切眼長度為154 m，走向長度1 258 m，開采5號煤層，煤層厚度12.4～15.6 m，平均厚度為14.01 m，平均傾角為24°，屬特厚煤層，煤層內平均含有3層夾矸，節理、內生裂隙不發育，頂板巖層為砂質泥巖和細粒砂巖，底板巖層為砂質泥巖和粉砂巖。11505工作面回風巷主要為11505工作面提供回風、行人等服務，巷道沿煤層底板掘進，巷道凈寬×凈高=4.5 m×3.5 m，巷道擬采用錨網索進行支護，由于巷道上方煤層較厚，現為保障巷道圍巖的穩定，特進行圍巖控制方案的研究。

2 錨桿支護參數模擬分析

為保障工作面回風巷錨網索支護方案的合理性，現采用F LAC3D數值模擬軟件進行部分支護參數的模擬分析，根據巷道的賦存條件及特征，建立長×寬×高=80 m×40 m×20 m的數值模型，根據地質條件分別對煤層及頂底板巖層的各項參數進行賦值，主要對頂板錨桿長度、幫部錨桿長度、頂幫角錨桿角度進行模擬分析，具體模擬方案及結果如下：

1）頂板錨桿長度：根據眾多工程實踐結果及礦井資料[1-2]，本次頂板錨桿長度設置4組方案，分別為2 200、2 400、2 600、2 800 mm，其余參數不變，頂板錨索長度5 000 mm、錨索預緊力為60 k N、幫錨桿長度為2 000 mm，設置錨桿索均垂直于頂板及兩幫打設，根據數值模擬結果能夠得出，不同錨桿長度下頂板下沉量如圖1所示。

分析圖1可知，頂板錨桿長度為2 200 mm時，頂板的最大下沉量為122.77 mm，隨著錨桿長度的增大，頂板的下沉量逐漸減小，當頂錨桿長度增大為2 400 mm時，頂板下沉量降低為120.59 mm，降幅較小；當頂板錨桿長度增大為2 600 mm時，巷道頂板下沉量降低為116.2 mm，降幅較為顯著，隨著錨桿長度的進一步增大，當頂板錨桿長度增大為2 800 mm時，巷道頂板下沉量為115.8 mm，降低較為顯著；據此可知，頂板錨桿長度大于2 600 mm，此時錨桿長度的增大對頂板下沉量的影響便逐漸減小；基于上述分析確定頂板錨桿的長度為2 600 mm。

圖1 不同錨桿長度下頂板下沉量云圖

2）幫錨桿長度：根據頂幫協同支護原則[3-4]，幫錨桿長度模擬方案設置為6組，分別為1 600、1 800、2 000、2 200、2 400、2 600 mm，其余模擬參數相同，基于上述錨桿模擬結果，本次設置頂錨桿長度2 600 mm，錨索長度5 000 mm，錨索預緊力為60 k N，錨桿索均垂直于頂幫打設，根據數值模擬結果可得出不同幫錨桿長度下，頂板下沉量數據見表1，幫錨桿長度與頂板下沉量間的曲線圖如圖2所示。

表1 不同幫錨桿長度下頂板下沉量數據表

圖2 幫錨桿長度-頂板最大下沉量曲線圖

分析表1和圖2可知，隨著幫錨桿長度的增大，頂板下沉量在不斷減小，但幫錨桿長度小于2 000 mm時，此時隨著頂板錨桿的增大，頂板最大下沉量的減小幅度較小，幫錨桿由2 000 mm增大為2 400 mm時，頂板下沉量的降低幅度較為顯著，當幫錨桿長度大于2 400 mm后，隨著錨桿長度的增大，頂板下沉量的降低幅度又逐漸減小；基于上述模擬結果分析可知，當幫錨桿長度小于2 000 mm時，此時由于兩幫錨桿的錨固范圍較小，無法控制兩幫的變形破壞，對自然平衡拱高度的降低效果較為微弱；當幫錨桿長度處于2 200～2 400 mm范圍內時，此時錨桿長度的增大，能夠有效減小頂板自然平衡拱的高度，進而實現對頂板下沉量的控制；當幫錨桿長度大于2 400 mm時，此時支護效能未能得到有效的釋放，利用率較低，進而對頂板下沉量的影響較小；故基于上述分析確定幫錨桿長度為2 400 mm。

3）頂幫角錨桿角度：為分析兩頂角錨桿的合理角度和兩幫角錨桿的合理角度，在進行頂角錨桿模擬時，設置其余錨桿索均垂直于巷道頂幫，在進行幫角錨桿角度模擬時，設置錨桿其余錨桿均垂直于頂幫，頂角錨桿的模擬角度分別為45°、55°、65°、75°、85°，幫角錨桿的模擬角度分別為5°、15°、25°、35°、45°，模型中其余模擬參數均同上，根據模擬結果得出如圖3所示曲線圖。

圖3 頂角、幫角錨桿角度-頂板下沉量曲線圖

分析圖3（a）可知，隨著頂角錨桿角度的不斷增大，頂板最大下沉量呈現出先下降后升高的趨勢，其中頂板下沉量的最小值在頂角錨桿為75°時取得，為106.29 mm，幫角錨桿頂板下沉量的曲線圖呈現出基本相同的變化趨勢，頂板下沉量的最小值在幫膠錨桿為25°時取得，基于上述數值可知，在頂板錨桿以75°安裝、幫角錨桿以25°安裝時，錨桿支護形成的應力區能夠與相鄰錨桿（索）有效疊加，實現為巷道頂板的控制；基于上述分析確定頂角錨桿安設角度為75°，幫角錨桿的安設角度為25°。

3 支護方案及效果

3.1 支護方案

根據11505工作面的地質條件及上述錨桿支護參數的模擬結果，確定巷道支護方案如下：

1）頂板支護：采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規格為M SGLW-335/18×2600，間排距800 mm×1 000 mm，同一斷面內錨桿布置6根，兩頂角錨桿與巷道頂板成75°安設，采用方形托盤，規格為150 mm×150 mm×10 mm，采用樹脂加長錨固，預緊力矩為300 N·m；錨索采用高強度低松弛預應力鋼絞線，規格為SK P15.24-7/1860，?15.24 mm，長度8 300 mm，間排距1 600 mm×1 000 mm，兩頂角錨索與頂板成55°安設，中部錨索垂直于巷道頂板打設，采用加長錨固，托盤采用平鋼板，規格300 mm×300 mm×15 mm，預緊力120 k N，規格為4 700 mm×75 mm×12 mm的鋼帶將錨桿索連接成一個整體，采用規格為4 700 mm×1 000 mm的鋼筋經緯網進行護頂。

2）兩幫支護：采用左旋螺紋鋼錨桿，規格為M SGM-235/16×2200，間排距1 000 mm×1 000 mm，幫角錨桿與幫部成25°布置，其余錨桿垂直于巷幫布置，采用樹脂加長錨固，錨桿預緊力矩為200 N·m，采用規格長×寬=3 700 mm×75 mm的鋼帶將錨桿與錨索連接為一個整體，提升錨桿索的承載能力，采用11號鐵絲制作的規格為3 700 mm×1 000 mm的鋼絲網進行護幫。具體巷道支護方案見圖4。

圖4 巷道支護斷面圖

3.2 效果分析

在11505回風順槽掘進期間，采用十字布點法在滯后掘進迎頭10 m處進行巷道變形量的監測分析，根據監測結果得出頂底板移近量和兩幫變形量隨時間的變化曲線，見圖5（a）、5（b）；另外在工作面回采期間，超前工作面110 m處布置監測點[5-6]，對巷道變形量進行監測分析，根據監測結果得出巷高、兩幫收斂-距工作面距離曲線，見圖5（c）、5（d）。

分析圖5（a）、5（b）可知，巷道掘出后的8 d內，頂板下沉量及兩幫收斂量均大幅增大，在巷道掘出大于8 d時，頂板下沉量及兩幫移近量均逐漸趨于穩定，頂板下沉速率在巷道掘出后的第10 d，頂板的下沉速率基本降為0，表明此時巷道基本處于穩定狀態，頂板最大下沉量為57 mm，兩幫收斂速率基本已下降至0，兩幫收斂量的最大值為64 mm。

圖5 巷道掘進及工作面回采期間圍巖變形曲線圖

分析圖5（c）、5d）可知，工作面與測點之間的距離大于100 m時，此時巷道頂板下沉及兩幫移近量基本無變化；距離小于100 m時，此時圍巖變形速率開始逐漸增大；距離小于70 m時，此時頂板下沉及兩幫收斂速率均大于8 mm/d，當監測斷面距回采工作面38 m時，此時頂板下沉量為70 mm，兩幫收斂量為80 mm，巷道變形量滿足回采巷道的使用要求。

4 結論

根據11505回風順槽地質賦存條件，通過數值模擬軟件進行錨桿支護合理參數的分析，確定頂幫錨桿長度、頂角和幫角錨桿安設角度，基于數值模擬結果，具體進行巷道錨網索支護方案的設計，并在巷道掘進期間和工作面回采期間進行圍巖變形監測，根據監測結果可知，巷道在該種支護方案下圍巖變形量較小，滿足回采巷道的使用要求。