竹林山煤業(yè)1406 綜采工作面圍巖變形規(guī)律及支護技術研究

張曉鵬

（山西陽城陽泰集團竹林山煤業(yè)，山西 晉城 048105）

1 工程概況

山西陽城陽泰集團竹林山煤業(yè)為兼并重組礦井，井田位于太行山脈西側沁水盆地南部邊緣，為低山丘陵地帶，地勢起伏度高，地形復雜，礦井現回采1400 采區(qū)1406 綜采工作面，工作面主采3 號煤層，3 號煤層全區(qū)穩(wěn)定可采，煤層厚度在3.04~5.89 m 之間，平均煤層厚度為4.48 m，煤層直接頂為泥巖、砂質泥巖，巖層平均厚度為8.12 m，基本頂為細粒砂巖、泥巖互層，巖層平均厚度為12.4 m，底板為泥巖、砂質泥巖，平均厚度7.80 m，偽頂為碳質泥巖，平均厚度為0.3 m，14106 綜采工作面采用走向長壁綜采一次采全高采煤方法，采用一進一回“U”型通風方式。1400 采區(qū)下部15 號煤層為實體煤，1400 采區(qū)不存在蹬空開采。

2 數值模擬

2.1 數值模型建立

根據竹林山煤業(yè)1406 綜采工作面生產地質條件，沿作面推進方向建立FLAC3D的數值計算模型，材料本構模型選用摩爾-庫倫模型，模型固定左右、底部方向邊界，上邊界通過施加均勻載荷q 模擬上覆巖層重力，模擬煤層厚度為4.5 m，基本頂、老頂厚度分別為8、12 m，斷裂步距為18 m，模型上部載荷以采深450 m 計算，1406 綜采工作面物理模型如圖1 所示。

圖1 1406 綜采工作面物理模型示意圖

2.2 工作面超前支承壓力分布規(guī)律

為了掌握1406 綜采工作面回采期間超前支承應力分布規(guī)律，選擇工作面煤壁靠近巷道左幫位置處作為研究對象進行數值模擬分析，考慮到工作面回采期間圍巖穩(wěn)定性受工作面采動影響較大，故在模擬過程中，令1406 綜采工作面回采推進100 m，模擬計算得到1406 綜采工作面超前支承壓力分布規(guī)律如圖2 所示。

圖2 1406 綜采工作面超前支承應力分布

由圖2 可以看出，隨著工作面的推進，超前支承壓力值呈現先增大至峰值后又緩慢降低，最終逐漸區(qū)域穩(wěn)定的趨勢，在距工作面前方0~10 m 范圍內，超前支承壓力值增幅較快，峰值最高達30 MPa 左右，在距工作面前方10~20 m 范圍內，超前支承壓力值驟減至20 MPa 左右，在距工作面前方20~100 m范圍內，超前支承壓力值緩慢降低并趨于平緩，最終穩(wěn)定在12 MPa 左右，在距工作面前方40 m 位置處時，超前支承壓力值基本與原巖應力相同。通過上述分析能夠看出，巷道圍巖穩(wěn)定性受工作面采動初期影響較大，隨著工作面充分采動，圍巖穩(wěn)定性趨于平衡狀態(tài)[1-2]，因此，當1406 綜采工作面初期推進期間，應加強巷道支護，避免工作面超前支承壓力過大而導致巷道發(fā)生大變形，影響工作面安全。

1406 綜采工作面推進距離對超前支承壓力影響如圖3 所示，工作面推進距離與巷道變形程度關系如表1 所示。

圖3 1406 綜采工作面推進距對超前支承應力的影響

表1 1406 綜采工作面推進距離與巷道變形量的關系

由圖3 與表1 可以看出，隨著工作面推進距離的增加，工作面超應力峰值不斷前移，巷道變形量逐漸增加，巷道承受的超前支承壓力的大小與工作面與巷道的距離遠近呈反相的關系，即工作面與巷道間距越小，巷道超前支承壓力值越大，巷道變形程度越高[3]，當工作面推進至距巷道5~10 m 位置處時，巷道變形程度較高，最大頂板下沉量為292 mm，巷幫最大位移量為287 mm，當工作面推進至距巷道3~70 m 位置處時，巷道變形程度越低，圍巖穩(wěn)定性較強，最大頂板下沉量為79 mm，巷幫最大位移量為134 mm，因此，可以確定，隨著1406 工作面的采動推進，巷道圍巖變形程度最大的區(qū)域為距工作面10~20 m 區(qū)域內，該段圍巖穩(wěn)定性較差，應加強巷道支護強度，避免巷道壓力積聚，造成頂板大面積變形垮落的現象。

3 綜采工作面巷道支護加固技術

3.1 錨桿支護參數確定

根據竹林山煤業(yè)1406 工作面煤層頂底板地質構造， 擬對兩順槽分別采用型號為MSGLW-335/20-2400、型號為MSGLW-335/20-2000的無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿配合規(guī)格為5 900 mm×1 200 mm、網孔規(guī)格為50 mm×50 mm 的12#鍍鋅鐵絲網片進行頂板、巷幫聯(lián)和支護，錨桿托板采用孔徑為30 mm 的拱形高強度托板，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，錨桿采用樹脂加長錨固，樹脂藥卷型號為MSK2335、MSZ2360，各錨桿之間排距為1 000 mm，錨桿間距通過改變錨桿根數來調整，針對1406 綜采工作面超前支承壓力顯現規(guī)律，現提出三種支護方案：

方案一：巷道左幫、頂板、右?guī)透鞑贾?4、9、4 根錨桿；

方案二：巷道左幫、頂板、右?guī)透鞑贾?5、7、5 根錨桿；

方案三：巷道左幫、頂板、右?guī)透鞑贾?5、8、5 根錨桿；

根據三種方案進行數值模擬計算，得出各方案支護效果數據見表2。

表2 各方案模擬支護效果數據表

通過表2 可以看出，通過增加錨桿布置的數量，能夠有效提高巷道圍巖穩(wěn)定性，其中，通過減小幫部錨桿的間距，能夠顯著降低巷道兩幫的變形量，通過減少巷道頂板錨桿的間距，對于控制頂板變形量的作用不太明顯，因此，兼顧經濟成本與安全性雙重因素，選用方案二作為1406 工作面順槽錨桿的支護參數，即在巷道左幫、頂板、右?guī)臀恢蒙细鞑贾?、7、5根錨桿。

3.2 錨索支護參數確定

竹林山煤業(yè)1406 工作面兩順槽采用規(guī)格為Φ18.9mm×7 300 mm 的小孔徑預應力錨索進行頂板支護，錨索采用3 支樹脂藥卷加長錨固：1 支MSK2335，2 支 MSZ2360，針對 1406 綜采工作面超前支承壓力顯現規(guī)律，現提出3 種支護方案：

方案一：無錨索；

方案二：一根錨索，錨索排距為1 400 mm；

方案三：兩根錨索，錨索排距為2 000，間距為1 800 mm；

根據三種方案進行數值模擬計算，得出各方案支護效果數據見表3。

表3 各方案模擬支護效果數據表

由模擬數據可知，工作面推進至距巷道5~15 m位置時，使用兩套錨索能夠有效控制巷道圍巖的變形情況，考慮到工作面采動初期，巷道圍巖穩(wěn)定性受采動影響較大，圍巖變形程度大的問題，確定方案三為最優(yōu)支護方案，即在巷道頂板處布置兩根間距為1 800 mm，排距為2 000 mm 的錨桿進行頂板加固。

1406 工作面順槽頂板支護示意如圖4 所示。

圖4 1406 工作面順槽頂板支護示意圖

根據上述確定的方案對1406 工作面回采期間的圍巖變形情況進行數值模擬分析，數值計算結果表明，1406 工作面推進至距巷道5~15 m 位置時，巷道超前支承壓力達到峰值，最大支承壓力為18 MPa，巷道頂板最大下沉量為206 mm，巷道左幫最大位移量為113mm，巷道右?guī)妥畲笪灰屏繛?7mm，該支護工藝支護效果顯著，工作面圍巖穩(wěn)定性得到有效保證。

3.3 圍巖高應力區(qū)域注漿加固工藝

1406 綜采工作面推進期間，巷道支承壓力峰值區(qū)域圍巖壓力積聚，破碎程度高，穩(wěn)定性較差，針對此問題，擬施工注漿加固工藝保證圍巖穩(wěn)定性。注漿材料選用甲、乙料比例為1∶1 的ZKD 高水速凝劑，注漿時漿液水灰比選用1.5∶1。該材料塑性好，強度大，結實率高且價格低廉，適于大量澆筑使用[4]。

1406 工作面順槽注漿鉆孔布置于巷道窄煤柱幫側，共打設2 排排距為1m 注漿鉆孔，其中，上部注漿孔仰角為100，下部注漿鉆孔俯角為100，根據巷道破碎煤體的邊緣厚度，確定鉆孔孔深為2.4 m，鉆孔孔徑為42 mm，各鉆孔注漿鉆孔采用煤電鉆打眼，各鉆孔間距為2 m。1406 工作面順槽注漿孔布置示意如圖5 所示。

圖5 1406 工作面順槽注漿孔布置示意圖

注漿管采用規(guī)格為Φ20 mm 的鋼管制作，管路長1.5 m，管壁厚2.5 mm，注漿管一端加工30 mm 的螺紋進行連接托盤，注漿封孔長度為1 m，綜合考慮固結體強度，裂隙發(fā)育程度和各個施工工藝之間的相互影響等因素，確定注漿孔注漿壓力1.5 MPa，單孔注漿量在4~5 m3之間，在距注漿管螺紋端頭位置處的1.2、1.35 m 位置處分別布置2 個規(guī)格為孔徑為6 mm 的出漿孔作為漿液滲流通道，注漿管路內漿液充分滲透并凝固后，在起到固結巷道高應力區(qū)域破碎圍巖的作用下，還可充當高預應力錨桿，加強巷道圍巖的穩(wěn)定性[5]，1406 工作面順槽注漿管路加工示意如圖6 所示。

圖6 1406 工作面順槽注漿管路加工示意圖

4 結 語

工作面圍巖穩(wěn)定是確保礦井安全高效回采的重要保證，本文以竹林山煤業(yè)1406 綜采工作面為研究對象，利用數值模擬分析的方法確定了工作面采動期間巷道超前支承壓力的分布范圍與規(guī)律，優(yōu)選出錨桿、錨索支護的參數組合，并通過選用甲、乙料比例為1∶1 的ZKD 高水速凝劑對巷道圍巖破碎嚴重區(qū)域進行加固，該支護組合能夠有效控制巷道圍巖變形情況，提高巷道整體穩(wěn)定性，保障工作面的安全回采。