8220 孤島工作面內錯尾巷強化支護與現場應用

杜曉歡

（晉能控股集團宏泰公司，山西 大同 037000）

晉能控股集團塔山礦8220 工作面屬于孤島綜放工作面，開采中運輸順槽和回風順槽受強烈采動影響，采用傳統的支護手段，該工作面巷道處于變形-修復-變形的惡性循環中[1]。因此，急需對8220 工作面內錯尾巷進行強化支護，并對其效果進行綜合評估。

1 8220 工作面內錯尾巷支護現狀分析

8220 工作面內錯尾巷的斷面形狀為矩形，內錯尾巷前段的高度為2.2 m，寬度為4.0 m，內錯尾巷后段的高度為2.2 m，寬度為3.1 m，采用錨桿+錨索聯合支護的方式，支護效果如圖1。

圖1 內錯尾巷支護現狀（mm）

內錯尾巷頂板采用直徑為20 mm、長度為2000 mm 的螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1800 mm×800 mm，每排分別布置3 根錨桿；采用直徑為21.6 mm、長度為5300 mm 的鋼絞線，錨索間排距為1800 mm×800 mm，每排分別布置2 根錨索；內錯巷兩幫采用直徑為20 mm、長度為2000 mm 的圓鋼錨桿進行支護，錨桿間排距為1000 mm×800 mm。

由于8220 工作面屬于孤島工作面，在當前支護狀態下，8220 工作面順槽圍巖變形量大、變形速度較快、四周來壓明顯[2]。據現場觀測結果，8220工作面順槽在實際開采中受到采動的影響，頂板最大下沉量可達0.5 m，底板最大底鼓量可達1.0 m，兩幫移近量平均在0.8 m 以上，該工作面巷道變形最嚴重的時候出現了頂底板的閉合情況[3]。

2 8220 工作面內錯尾巷強化支護設計

綜合對8220 工作面內錯尾巷當前支護參數下巷道圍巖的變形特征以及原因分析的基礎上，擬通過采用高強度混凝土支護將頂板的壓力直接傳遞至底板，從而減小對兩幫的承載[4]。

2.1 混凝土支護承載能力核算

根據8220 工作面現場情況，要求混凝土支柱承受的最大載荷不得小于式（1）計算結果：

式中：γ為8220 工作面內錯尾巷頂板的巖石容重，取值為25 kN/m3；h為8220 工作面內錯尾巷頂板的離層厚度，取值為7.8 m；b為8220 工作面內錯尾巷的平均跨度，取值為2.4 m。

將上述參數代入式（1）中，同時考慮到1.5 倍的安全系數，要求混凝土支柱所承受的最大載荷不得小于1852 kN×1.5=2808 kN。

2.2 混凝土支柱承載面積的確定

采用圓柱形混凝土支柱對8220 工作面內錯巷進行強化支護。根據現場實際情況，預估算出圓柱形混凝土支柱的半徑在0.15～0.3 m 之間。

分別對圓柱形混凝土支柱半徑為0.25 m、0.26 m、0.27 m、0.28 m、0.29 m 和0.30 m 在相同載荷作用下的承載能力進行對比，仿真結果如圖2 所示。

圖2 不同半徑混凝土支柱的承載效果

（1）當半徑為0.25 m 時，混凝土支柱在離層頂板的作用下出現了縱橫交錯的裂紋且相互貫通，失去承載能力。

（2）當半徑為0.26 m、0.27 m 和0.28 m 時，混凝土支柱在離層頂板的作用下出現了縱橫交錯的裂紋且相互貫通，混凝土支柱的強度明顯下降，幾乎失去承載能力。

（3）當半徑為0.29 m 時，混凝土支柱在離層頂板的作用下出現了縱橫交錯的裂紋且相互貫通，混凝土支柱的強度下降，幾乎失去承載能力。

（4）當半徑為0.30 m 時，混凝土支護內部未出現裂紋，具備足夠的承載能力。

綜上所述，最終確定混凝土支柱的半徑不得小于0.30 m。根據8220 工作面內錯巷的高度，確定混凝土支柱高度為2.2 m。

3 強化支護效果

3.1 強化支護數值模擬

（1）數值模擬仿真模型建立。根據8220 工作面的現場情況，基于FLAC3D軟件構建內錯尾巷工作面模型[6]，如圖3。

圖3 內錯尾巷數值模擬仿真模型

以圖3 所構建的數值模擬仿真模型為基礎，將整個模型劃分為487 200 個單元，其中包含有511 830 個節點。根據8220 工作面的現場情況，為模型施加15 MPa 的均布載荷為上邊界；下邊界取u=v=0；左右邊界為單約束邊界，其中u=0，v≠0[4]。對該工作面內錯尾巷的圍巖參數在模型中進行設置，包括容重24 000 N/m3、彈性模量5.04 GPa、泊松比0.204、內摩擦角30°、抗拉強度60 MPa 等[7]。

（2）數值模擬仿真結果分析。基于圖3 建立的內錯巷數值模擬仿真模型，對采用強化支護前后工作面內錯尾巷的變形情況進行對比，對比結果見表1。

如表1 所示，在原支護方案下對應頂底板移近量為1210 mm，左右兩幫移近量為650 mm。采用強化支護措施后，頂底板移近量僅為420 mm，較原支護方案減少65%；兩幫移近量僅為260 mm，較原支護方案減少60%。

表1 強化支護手段實施前后的內錯尾巷的變形對比

3.2 強化支護現場應用

將所設計的混凝土支柱強化支護措施在8220工作面實施后[8]，在內錯尾巷內布置4 個監測點對巷道的實際變形情況進行監測。其中，距離工作面開切眼600 m 的位置布置1#監測點，在距離1#監測點17.6 m 的位置布置2#監測點，在距離1#監測點31.2 m 的位置布置3#監測點，在距離1#監測點51.2 m 的位置布置4#監測點。以1#監測點為例，在開采期間，隨著工作面的推進對應頂底板和兩幫移近量監測結果如圖4。

圖4 1#監測點頂底板及兩幫移近量隨工作面推進的變化

綜合對2#、3#以及4#監測點頂底板和兩幫移近量數據分析，可以得出：對內錯尾巷進行強化支護后，各監測點斷面收縮率較原有支護手段減少26%，并且混凝土支護未插入底板中。

4 結語

針對晉能控股集團塔山礦8220 孤島工作面在開采期間受到相鄰工作面采動的影響，當前支護手段不足以對圍巖進行有效控制，導致內錯尾巷圍巖穩定性差，采用混凝土支柱對原內錯巷進行強化支護，總結如下：

（1）8220 工作面在實際開采中受到采動的影響，頂板最大下沉量可達0.5 m，底板最大底鼓量可達1.0 m，兩幫移近量平均在0.8 m 以上。

（2）確定混凝土支柱的半徑為0.30 m，混凝土支柱高度為2.2 m。

（3）對工作面進行強化支護后，經數值模擬分析：混凝土支柱強化支護下，頂底板移近量較原支護方案減少65%，兩幫移近量較原支護方案減少60%。

（4）實踐表明，混凝土支柱強化支護后，收縮率較原有支護手段減少26%，并且工作面未出現底鼓現象，混凝土支護未插入底板中。