馬蘭礦10604工作面沿空掘巷圍巖控制技術研究

王浩鵬

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦 山西 太原 030205）

0 引言

沿空掘巷是在毗鄰工作面回采完成后，沿著采空區的邊緣留設窄煤柱進行掘巷，其動壓影響時間短，巷道易維護，且巷道支護費用低，與沿空留巷相比更利于推廣[1-6]。以馬蘭礦10604工作面的現場地質條件為工程背景，利用數值軟件FLAC3D建立三維計算模型，探究錨桿長度、間排距以及錨索長度等對巷道圍巖變形的影響，并結合現場工程實際確定合理的支護參數及支護方案，以期為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

馬蘭礦10604運輸順槽掘進工作面所掘煤層為6#煤層，巷道沿煤層頂板掘進，工作面地質構造較為簡單，整體為單斜構造，其北部為井田邊界的保安煤柱，10602 工作面位于10604 工作面的東部，目前已經開采完成，成為采空區，10606 工作面位于10604 工作面的西部，目前未進行開采，工作面煤層走向北南，傾向東西，傾角4°～8°，窄煤柱的寬度約為6.5 m。10604運輸順槽為矩形巷道，巷道沿煤層頂板掘進，總設計長度780 m；掘進方式為機掘，運輸方式：刮板機及皮帶運輸，斷面由寬4.5 m，高2.8 m。煤巖層柱狀圖見圖1。

圖1 煤巖層柱狀圖

2 沿空掘巷支護參數數值模擬研究

2.1 數值模型建立

結合馬蘭礦10604 工作面的現場實際情況，利用數值模擬軟件FLAC3D建立三維數值計算模型，模型尺寸為：長×寬×高=500×300×30（m），共劃分為36 160個單元、38 326個節點，模型左右、前后、下邊界均為固定約束，上表面為自由約束；由計算結果確定10604工作面合理的錨桿長度、間排距、錨索長度等支護參數。各巖層的物理力學參數如表1所示。

表1 圍巖物理力學參數

2.2 結果與分析

2.2.1 錨桿參數對圍巖變形的影響

錨桿具有很強的錨固作用，可以與上覆的煤巖體形成錨固體，同巷道圍巖形成一個整體的承載結構。該承載結構可以承載其本身的重量及產生的變形，對圍巖具有很好的支撐穩定作用。

固定錨桿間排距的大小，選取2.2 m、2.4 m、2.6 m、2.8 m四種不同長度的錨桿進行巷道圍巖的支護，對比巷道圍巖的變形量。同樣固定錨桿長度，選取60 cm、70 cm、80 cm、90 cm、100 cm 五種不同的錨桿間排距，對比巷道圍巖的變形量。

不同錨桿長度下巷道圍巖變形關系如圖2 所示。由圖2 可看出，巷道頂板、巷道底板、巷道煤柱幫以及巷道實體煤幫處的圍巖變形量隨錨桿長度的增加略有下降，相比于錨桿長度2.0 m 時，尤其是錨桿長度為2.2 m 時，圍巖變形較錨桿長度為2.0 m 時發生明顯下降，變化較大處位于主要實體煤幫處，由之前的269 mm 減小到215 mm，錨桿長度大于2.2 m 時，圍巖變形量無較大的改變，所以選擇長度為2.2 m 的錨桿最為經濟合理。

圖2 錨桿長度與巷道圍巖變形關系

不同錨桿間排距下巷道圍巖變形關系如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可看出，一定范圍內，不同錨桿的間排距與巷道圍巖的變形成正相關。當錨桿間距在70 cm～80 cm范圍內時，圍巖變形量較小；當間排距大于80 cm 時，圍巖變形增速較大，當排距在60 cm～80 cm范圍內時，圍巖變形量較小；因此，綜合考慮錨桿間排距對圍巖變形的影響以及經濟因素，錨桿間排距選擇為80 cm。

圖3 錨桿間距與巷道圍巖變形關系

圖4 錨桿排距與巷道圍巖變形關系

2.2.2 錨索參數圍巖變形的影響

一定長度的錨索，可以將較深處的巖層與錨桿錨固在一起，進一步增強錨固體的穩定性，同時增大錨固的范圍。由于錨索為柔性支護體，錨索長度大于一定值后，其絕對延長量相應也會變大，巷道頂板離層值隨之變大，使得錨固體因發生錯動造成剪切破壞。

不同長度、根數的錨索支護下，巷道圍巖變形關系如圖5、圖6 所示。從圖5 可看出，錨索長度對圍巖的變形影響較大，錨索長度在3 m～7 m 范圍內時，圍巖變形量隨錨索長度的增加而減小，且降幅較明顯。錨索長度大于7 m時，變形量降幅較小；從圖6可看出，錨索根數的增加可控制圍巖的變形，且錨索根數從0～2根范圍內，圍巖變形量降幅較大，綜合考慮，錨索長度根數選為7 m、2根。

圖5 錨索長度與巷道圍巖變形關系

圖6 錨索根數與巷道圍巖變形關系

3 巷道支護方案

巷道頂板錨桿采用螺紋鋼錨桿，長度為2.2 m，直徑22 mm，錨桿的間排距為0.8×0.8(m)，每排有6 根錨桿；錨索采用長度為7 m，直徑21.6 mm的礦用錨索，錨索的間排距為1.6×0.8(m)，每排有2 根錨索；同時頂板鋪設直徑10 mm的金屬網，間距1.0×1.0(m)。

巷道兩幫錨桿規格型號、間排距、設計與頂板相同，巷道兩幫每排有5 根錨桿；巷道兩幫鋪設直徑10 mm的金屬網，間距4.0×1.0(m)，同時增設鋼筋梯子梁，其直徑為12 mm；煤柱幫與實體煤幫采用礦用錨索，直徑均為17.8 mm錨索間排距均為1.8×1.6(m)，二者錨索長度分別為7 m和4 m。錨桿索支護設計如圖7所示。

圖7 錨桿索支護設計圖

4 工業性試驗

將上述研究所確定的圍巖控制技術應用到馬蘭礦10604運輸順槽，并進行圍巖變形的監測，檢驗錨桿索網聯合支護技術及相應支護參數的合理性。采用十字交叉法對10604運輸順槽頂底板及兩幫圍巖表面變形進行觀測，如8所示。

由圖8 圍巖變形曲線的變化情況可看出，隨運輸順槽掘進時間的增加，圍巖變形量逐漸增大，當距離掘進工作95 m 后，圍巖變形量的增速開始下降，并逐漸趨于穩定。在掘進的開始，頂板變形幅度約為4.2 mm/d，兩幫圍巖變形幅度約為5.5 mm/d，變形幅度較大。

圖8 圍巖變形曲線圖

最終頂底板變形量穩定在178 mm，兩幫變形量穩定在219 mm，圍巖整體變形收斂得到有效控制，表明采用本文確定的支護技術方案，可有效地控制沿空掘巷巷道的變形破壞。

5 結語

以馬蘭礦10604 工作面為工程背景，對沿空掘巷巷道圍巖控制技術進行了研究，得出以下主要結論：

（1）探究了不同錨桿索支護參數下對沿空掘巷巷道圍巖的影響，確定了經濟合理的支護參數，據此提出了錨桿索+鋼筋網聯合支護技術。

（2）采用錨桿索+鋼筋網聯合支護技后，巷道頂底板及兩幫變形分別穩定在178 mm、219 mm，圍巖變形得到了有效控制，驗證了支護參數的合理性。