14-1104 工作面回采巷道支護(hù)方案優(yōu)化

陳 鵬

（山西焦煤集團(tuán)嵐縣正利煤業(yè)有限公司，山西 嵐縣 033000）

1 工程概況

正利煤業(yè)位于山西省呂梁市嵐縣東部社科鄉(xiāng)葛鋪村，14-1104 工作面主采4#煤層，平均埋深為554 m，煤層厚度平均為3.15 m。煤層上方頂板巖層依次為平均厚0.32 m 的砂質(zhì)泥巖、平均厚5.40 m的細(xì)砂巖及平均厚5.51 m 的粉砂巖；底板巖層分別為4.17 m 的砂質(zhì)泥巖和2.25 m 的粉砂巖。煤層傾角平均8°，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層全區(qū)可采。

2 原支護(hù)方案效果分析

2.1 原支護(hù)方案

14-1104 工作面回采巷道支護(hù)方式為：頂板布置5 根Ф20 mm×2200 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm。在頂錨桿間隔位置，布置2 根Ф18 mm×6500 mm 的錨索，間排距為1000 mm×2000 mm。幫錨桿選用Ф18 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，每幫布置3 根，間排距為1000 mm×1000 mm。鋪設(shè)50 mm×50 mm 規(guī)格的金屬網(wǎng)。

2.2 原支護(hù)方案現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

在超前工作面100 m 及200 m 布置兩個(gè)監(jiān)測(cè)站，對(duì)工作面回采過程中巷道頂板離層量、頂板下沉量及兩幫移近量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[1-2]。

（1）頂板離層量

在頂板兩根錨桿中間布置頂板離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)[3-4]，為更準(zhǔn)確掌握頂板巖層離層位置，頂板離層深基點(diǎn)分別設(shè)置0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m、6.0 m 及7.0 m。頂板離層監(jiān)測(cè)曲線如圖1。

如圖1，在工作面回采初期，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面較遠(yuǎn)，頂板巖層并未出現(xiàn)離層現(xiàn)象。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面80 m范圍以內(nèi)時(shí)，頂板巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，在距離工作面60 m 以內(nèi)時(shí)，離層量增大較為明顯。如圖1（a），測(cè)站1 在采場(chǎng)上方0.5～1.5 m 及2.0～2.5 m 位置發(fā)生離層現(xiàn)象，離層量分別為1.35 mm 及2.23 mm。如圖1（b）所示，測(cè)站2 在采場(chǎng)上方0.5～1.0 m、2.5～3.0 m 及6.0～7.0 m 位置發(fā)生離層現(xiàn)象，離層量分別為3.85 mm、2.26 mm 及1.18 mm。總體來看，離層量較小，頂板支護(hù)效果良好。

圖1 頂板離層監(jiān)測(cè)曲線

（2）巷幫離層監(jiān)測(cè)

在測(cè)站1 上幫及測(cè)站2 下幫布置巷幫離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為了準(zhǔn)確掌握圍巖離層位置，深基點(diǎn)位置分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m 及2.5 m。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線如圖2 所示。

如圖2 所示，在工作面回采初期，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面較遠(yuǎn)，巷幫圍巖并未發(fā)生離層現(xiàn)象。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面80 m 范圍以內(nèi)時(shí)，巷幫圍巖逐漸出現(xiàn)離層現(xiàn)象，在距離工作面60 m 范圍內(nèi)時(shí)，巷幫圍巖離層量變化較為明顯。如圖2（a）所示，測(cè)站1 上幫圍巖離層發(fā)生在1.0～1.5 m 處，離層量分別為0.96 mm 及2.92 mm。如圖2（b），測(cè)站2 下幫圍巖離層發(fā)生在2.0～2.5 m 處，離層量分別為0.98 mm及0.75 mm。整體來看，巷幫圍巖離層量較小，并無失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，支護(hù)效果良好。

圖2 巷幫離層監(jiān)測(cè)曲線

（3）頂板下沉量及兩幫移近量監(jiān)測(cè)

采用三角布點(diǎn)法對(duì)巷道頂板巖層下沉量及兩幫移近量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分別在測(cè)站1 及測(cè)站2 頂板1/2 位置布置測(cè)點(diǎn)1，在頂板1/4 位置布置測(cè)點(diǎn)2 及測(cè)點(diǎn)3，同時(shí)在測(cè)站1 及測(cè)站2 巷幫1/2 位置布置測(cè)點(diǎn)A，在頂板1/4 位置布置測(cè)點(diǎn)B 及測(cè)點(diǎn)C。頂板下沉量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線及兩幫移近量監(jiān)測(cè)曲線如圖3。

如圖3 所示，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面80 m 范圍以外時(shí)，巷幫變形量非常小，隨著工作面的推進(jìn)，巷道圍巖變形量逐漸增大，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距工作面30 m以內(nèi)時(shí)，巷道圍巖收斂明顯。其中測(cè)站1 頂板下沉量三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大值分別為11.16 mm、27.45 mm及14.37 mm，兩幫移近量三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大值分別為20.40 mm、26.85 mm 及6.35 mm。測(cè)站2 頂板下沉量三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大值分別為10.83 mm、34.68 mm及16.53 mm，兩幫移近量三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大值分別為7.50 mm、28.65 mm 及17.10 mm。

圖3 頂板下沉量及兩幫移近量監(jiān)測(cè)曲線

（4）錨桿軸力

在測(cè)站1 及測(cè)站2 頂板及上幫中線位置布置兩個(gè)錨桿軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，頂板錨桿監(jiān)測(cè)點(diǎn)記為M1，巷幫位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)記為M2，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線如圖4。

圖4 錨桿軸力監(jiān)測(cè)曲線

如圖4 所示，測(cè)站1 頂板錨桿軸力最大值為35.38 kN，巷幫錨桿軸力最大值為16.41 kN，測(cè)站2頂板錨桿軸力最大值為35.05 kN，巷幫錨桿軸力最大值為15.93 kN。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，工作面推進(jìn)過程中，錨桿受力不斷增大，頂錨桿受力大于幫錨桿受力，但錨桿受力遠(yuǎn)未達(dá)到錨桿設(shè)計(jì)值50 kN，說明并未充分利用錨桿承載力，浪費(fèi)了一定的支護(hù)能力。

3 支護(hù)方案優(yōu)化

3.1 新支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前述現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，綜合考慮相鄰工作面支護(hù)效果，對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行調(diào)整。新支護(hù)方案為：頂板布置6 根Ф22 mm×1800 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×900 mm，在頂錨桿間隔位置，布置2 根Ф18 mm×6500 mm 的錨索，間排距為1000 mm×2000 mm。幫錨桿選用Ф22 mm×1600 mm 的螺紋鋼錨桿，每幫布置3 根錨桿，間排距為1000 mm×900 mm。鋪設(shè)50 mm×50 mm 規(guī)格的金屬網(wǎng)。

3.2 新支護(hù)方案數(shù)值模擬

借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)優(yōu)化后的支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，巷道變形量如圖5。

圖5 新支護(hù)方案巷道變形量

如圖5 所示，優(yōu)化后的支護(hù)方案條件下，巷道頂?shù)装遄冃瘟孔畲笾禐?8.67 mm，兩幫移近量最大值為41.57 mm。表明優(yōu)化后的支護(hù)方案下，巷幫圍巖變形量較小，新的支護(hù)方案也可以有效約束巷道圍巖變形，能夠滿足礦方的安全生產(chǎn)需求。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在14106 工作面回風(fēng)巷進(jìn)行優(yōu)化支護(hù)試驗(yàn)，在距離工作面100 m 及200 m 位置布置測(cè)站對(duì)巷道圍巖變形量及錨桿軸力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6。

如圖6（a）、圖6（b）所示，兩個(gè)測(cè)站監(jiān)測(cè)曲線變化趨勢(shì)基本相似。在測(cè)點(diǎn)距離工作面80 m 以內(nèi)時(shí)，巷道圍巖開始發(fā)生變形，測(cè)站1 頂?shù)装遄冃瘟孔畲笾禐?5 mm，兩幫移近量最大值為36 mm，離層量最大值為23 mm。測(cè)站2 頂?shù)装遄冃瘟孔畲笾禐?8 mm，兩幫移近量最大值為40 mm，離層量最大值為18 mm。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，與原支護(hù)條件下巷道變形量相比，頂?shù)装遄冃瘟科骄龃?0.41 mm，兩幫移近量平均增大10.25 mm。巷道圍巖變形量雖比原支護(hù)方案略大，但是巷道圍巖并無失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，可以滿足礦上的安全生產(chǎn)需求。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線

如圖6（c）、圖6（d）所示，測(cè)站1 監(jiān)測(cè)錨桿軸力最大值為46.82 kN，測(cè)站2 監(jiān)測(cè)錨桿軸力最大值為44.52 kN，均小于錨桿的理論設(shè)計(jì)值50 kN，在保證錨桿未發(fā)生屈服的前提下，基本充分發(fā)揮了錨桿的支撐力。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新支護(hù)方案條件下巷道掘進(jìn)時(shí)間及支護(hù)成本均低于原支護(hù)方案。新支護(hù)方案條件下，巷道掘進(jìn)時(shí)間節(jié)省了18.6%，支護(hù)成本降低了5.3%，雖然巷道圍巖變形量略有增大，但是并不影響巷道圍巖整體的穩(wěn)定性，可以滿足礦方的安全生產(chǎn)需求，效益顯著。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及理論分析發(fā)現(xiàn)14-1104 工作面回采巷道原有支護(hù)方案并未充分發(fā)揮錨桿的承載能力。通過增大錨桿直徑和縮短錨桿長(zhǎng)度的方法對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行調(diào)整，并在鄰近工作面14106 工作面進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：新支護(hù)方案充分發(fā)揮了錨桿的支護(hù)能力，而且巷道掘進(jìn)時(shí)間節(jié)省了18.6%，支護(hù)成本降低了5.3%，雖然巷道圍巖變形量略有增大，但是并不影響巷道圍巖整體的穩(wěn)定性，可以滿足礦方的安全生產(chǎn)需求，效益顯著。