干河煤礦2-3002 巷沿空掘巷支護(hù)技術(shù)研究

李小軍

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 031400）

1 工程概況

山西霍寶干河煤礦有限公司2-300 工作面位于三采區(qū)三條大巷右翼，東南側(cè)為2-301 采空區(qū)，東北側(cè)為三采區(qū)系統(tǒng)大巷，西北、西南側(cè)300 m 為實(shí)體煤。2-3002 巷為滿足2-300 回采工作面輔助運(yùn)輸和回風(fēng)等而設(shè)計(jì)施工的，2-3002 巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1389 m，2-300 切巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為240 m。本工作面開(kāi)采煤層為2#煤層，2#煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組上部，煤層厚度2.2～2.4 m，巷道頂?shù)装鍘r層情況見(jiàn)表1。2-3002 巷為干河煤礦首個(gè)沿空掘巷工作面，為保障其圍巖穩(wěn)定性，并為后續(xù)生產(chǎn)提供實(shí)踐、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其掘巷位置、支護(hù)方案及礦壓特征進(jìn)行研究。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 2-3002 巷永久支護(hù)設(shè)計(jì)

1）頂錨桿參數(shù)

頂錨桿長(zhǎng)度經(jīng)驗(yàn)公式：L=KH+L1+L2，其中，L為錨桿全長(zhǎng)，m；K為安全系數(shù)，一般取2；H為軟弱巖層厚度，m；L1為錨入穩(wěn)定巖層深度，取0.5 m；L2為外露長(zhǎng)度，取0.1 m。利用普氏免壓拱高理論確定軟弱巖層厚度：H=B/2f，其中，f為頂板巖層的普氏系數(shù)，取4，B為巷道跨度，4.6 m。軟弱巖層厚度H=0.575 m。頂板錨桿長(zhǎng)度L=2×0.575+0.5+0.1=1.75 m。依據(jù)上述計(jì)算，并結(jié)合2-3002 巷地質(zhì)條件、周邊三采區(qū)三條準(zhǔn)備巷道礦壓分析結(jié)論和該區(qū)域使用錨桿情況，為保證施工安全，頂錨桿選取Ф22 mm×2400 mm，大于1.75 m，符合設(shè)計(jì)要求。

2）幫錨桿長(zhǎng)度

幫錨桿長(zhǎng)度由公式L=L1+L2+L3計(jì)算[1]。其中，L1、L2含義及取值與頂板錨桿相同；L3為煤幫破碎深度，m。L3理論計(jì)算公式：L3=H×tan（45°-ω幫/2）。H為巷道掘進(jìn)高度，取3.8 m；f幫為幫部煤巖體普氏系數(shù)，煤體取2；ω幫為幫部煤巖體似內(nèi)摩擦角，取幫f反算ω幫=arctan2=63.5°。L3=3.8×tan（45°-63.5°/2）=0.89 m，幫錨桿長(zhǎng)度L=0.5+0.1+0.89=1.49 m，選取幫錨桿長(zhǎng)度2 m。

3）頂板錨索長(zhǎng)度

錨索錨固段設(shè)計(jì)在堅(jiān)硬巖層內(nèi)1.0～1.5 m[2-3]。根據(jù)工作面巖性分析，錨索終端需錨入砂巖中，其理論計(jì)算公式：L錨索=L外露+L鎖具+L懸吊+L錨固。其中，L外露為需要外露的張拉長(zhǎng)度，取0.25 m；L鎖具為成套鎖具長(zhǎng)度，取0.1 m；L懸吊為不穩(wěn)定巖石厚度，取2.5 m；L錨固為錨固長(zhǎng)度，取1.8 m。則L錨索=0.25+0.1+2.5+1.8=4.65 m，選取頂錨索長(zhǎng)為6.2 m，大于4.65 m，符合設(shè)計(jì)要求。

4）2-3002 永久支護(hù)方案

頂板錨桿規(guī)格Ф22 mm×2400 mm，幫部錨桿規(guī)格Ф20 mm×2000 mm，頂部錨桿“六·六”布置，配合6 孔4.2 m 錨梁，幫部錨桿“六·六”布置，配合4 孔2.3 m 鋼帶和3 孔1.7 m 鋼帶，配合規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=150 mm×150 mm×8 mm 的壓制蝶形墊片、調(diào)心球墊、減摩墊圈、螺母、菱形網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為800 mm×700 mm；頂板錨索采用Ф21.6 mm×6200 mm 鋼絞線，錨索“三·三”布置，左幫錨索采用Ф17.8 mm×4200 mm 鋼絞線，錨索“二·二”布置，錨索間排距1600 mm×1400 mm，錨固劑使用：先上CK2340，再上Z2360。幫部根據(jù)工作面實(shí)際揭露煤巖層情況進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，若煤巖層松軟破碎，需及時(shí)補(bǔ)打4.2 m 錨索加強(qiáng)幫部支護(hù)。錨桿、錨索布置詳情如圖1。

圖1 2-3002 巷永久支護(hù)示意圖（mm）

3 沿空巷道合理位置模擬分析

為探究沿空巷道與上區(qū)段工作面采空區(qū)間煤柱寬度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，根據(jù)2-300 工作面地質(zhì)條件，運(yùn)用FLAC3D軟件針對(duì)不同煤柱寬度條件下沿空巷道開(kāi)挖進(jìn)行模擬研究[4]。建模尺寸300 m×200 m×90 m，底板30 m，頂板67.6 m，工作面采高2.4 m，模型依次布置邊界煤柱、2-301工作面、煤柱、2-3002 巷、2-300 工作面、邊界煤柱，2-3002巷模擬寬度為4.6 m。三維數(shù)值模型及模擬方案如圖2。

圖2 模擬方案及結(jié)果

參考類似地質(zhì)條件下沿空掘巷施工的工程實(shí)例，初步設(shè)計(jì)2-3002 巷與2-301 工作面采空區(qū)邊界間煤柱寬度為5 m、8 m、15 m，不同煤柱寬度條件下圍巖塑性區(qū)分布及表面位移量如圖3。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)圖3（a）～（c）所示結(jié)果分析可知，5 m寬煤柱條件下，2-3002 巷掘巷期間煤柱側(cè)圍巖塑性破壞區(qū)發(fā)育至2-301 工作面采空區(qū)邊緣，實(shí)體煤幫塑性區(qū)發(fā)育深度達(dá)到4.5 m；8 m 寬煤柱條件下，2-3002 巷煤柱側(cè)圍巖塑性破壞區(qū)發(fā)育深度為2 m，2-301 工作面采空區(qū)邊緣塑性區(qū)發(fā)育深度4.0 m，實(shí)體煤幫塑性區(qū)發(fā)育深度為2.25 m；15 m 寬煤柱條件下，2-3002 巷煤柱側(cè)圍巖塑性破壞區(qū)發(fā)育深度為2 m，2-301 工作面采空區(qū)邊緣塑性區(qū)發(fā)育深度4.0 m，實(shí)體煤幫塑性區(qū)發(fā)育深度為2.25 m。煤柱寬度5 m時(shí)，圍巖塑性破壞范圍大，圍巖穩(wěn)定性較差；煤柱寬度為8 m、15 m 時(shí)，2-3002 巷圍巖塑性破壞范圍基本相同，煤柱內(nèi)存在部分處于彈性狀態(tài)的煤巖體，圍巖穩(wěn)定性較好。根據(jù)圖3（d）所示結(jié)果分析可知，5 m 寬煤柱條件下，煤柱幫內(nèi)移量達(dá)到375 mm，頂板、底板、實(shí)體煤幫變形量也較大，巷道變形較嚴(yán)重；8 m 寬煤柱條件下，煤柱幫內(nèi)移量為180 mm，其余部位變形量也較?。?5 m 寬煤柱條件下，圍巖變形量進(jìn)一步減小。綜上可知，煤柱寬度為8 m、15 m 時(shí)，沿空巷道圍巖穩(wěn)定性良好。為提高煤炭資源的采出率，設(shè)計(jì)2-3002 與2-301 工作面采空區(qū)間煤柱寬度為8 m。

4 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

2-3002 巷采用所述支護(hù)方案與2-301 采空區(qū)間留設(shè)8 m 煤柱掘進(jìn)，掘進(jìn)階段及2-300 工作面回采期間布置測(cè)站，對(duì)巷道表面變形量、錨桿、錨索載荷、頂板離層量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，圍巖變形規(guī)律如圖4。掘巷支護(hù)30 d 后圍巖基本穩(wěn)定，兩幫相對(duì)移近量最大為260 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大為108 mm；工作面回采期間，兩幫相對(duì)移近量最大為448 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大為194 mm，煤柱變形較小，圍巖變形可控，表明支護(hù)方案可行。錨桿錨索載荷變化規(guī)律如圖5。掘巷期間，支護(hù)完成前15 d 期間，錨桿錨索載荷逐漸增大并趨于穩(wěn)定；15 d之后，錨桿、錨索載荷基本保持穩(wěn)定，錨桿、錨索載荷受力不大，說(shuō)明圍巖穩(wěn)定性良好。2-300 工作面回采期間，頂板錨索最大載荷254 kN，頂板、兩幫錨桿最大載荷125～145 kN，煤柱幫錨索最大載荷184 kN，均小于其破斷載荷，在合理范圍內(nèi)。

圖4 表面位移量變化規(guī)律

圖5 錨桿、錨索載荷

5 結(jié)語(yǔ)

干河煤礦2-3002 巷沿空掘巷，采用理論計(jì)算、工程類比手段設(shè)計(jì)其錨網(wǎng)索支護(hù)方案，分析掘巷階段不同煤柱寬度條件下圍巖塑性破壞及表面變形規(guī)律。最合理煤柱寬度為8 m，工業(yè)性試驗(yàn)期間進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè)，掘巷階段及服役期內(nèi)圍巖變形量在可控范圍內(nèi)，錨桿、錨索載荷較穩(wěn)定，均在其設(shè)計(jì)承載能力范圍內(nèi)，圍巖支護(hù)效果較好。