騰暉煤業托頂煤開拓大巷支護方案研究

翟 濤

（霍州煤電集團河津騰暉煤業有限責任公司，山西 河津 043300）

1 工程概況

山西霍州煤電集團騰暉煤業現階段回采2#煤層位于山西組下段上部，二采區煤層埋藏深度473～476 m，煤層賦存穩定，結構簡單，煤層總厚5.06～5.18 m。二采區集中材料大巷位置如圖1，大巷沿2#煤層底板布置。巷道頂底板巖層詳情見表1。托頂煤厚度1.3～2.5 m，掘進斷面4.7 m×3.7 m，原設計的頂板支護采用錨網索，幫部采用錨網。為避免二采區開拓大巷在后期變形破壞、冒頂、片幫，確保礦井安全高效生產，展開圍巖有效控制技術的相關研究。

圖1 二采區集中材料大巷位置詳情

表1 巷道頂底板巖層詳情

2 大巷圍巖破壞特征模擬分析

2.1 物理力學參數及數值模型建立

為掌握2#煤層及頂底板巖層物理力學條件，在集中材料大巷合適位置鉆取煤層及頂底板巖層煤巖樣，運輸至物理力學測試實驗室內進行試件加工及力學測試。實驗機型號為 SANS，測試項目主要有單軸抗壓、抗拉、抗剪等[1]，試驗測試結果見表2。

表2 頂底板主要巖層力學參數

為探究支護參數變化對集中材料大巷圍巖控制效果的影響，以該巷道工作面地質條件及原支護方案為基礎，通過FLAC3D軟件構建了三維數值模型[2-4]。模擬采用莫爾-庫侖本構，模型邊界尺寸長、寬、高=90 m、60 m、55 m，模型底面固定，四周設置水平位移限制條件，模型頂面設置等效載荷10 MPa。模型建立完成后開始運算，最大不平衡力達到1×10-5MPa 得到初始應力場，然后進行集中材料大巷的開挖，矩形斷面寬4.7 m、高3.7 m。巷道初始支護參數：錨桿長2.0 m、直徑20 mm、間排距900 mm，錨索長度9.3 m、直徑17.8 mm、間排距1.8 m，每排2 根。

2.2 錨桿間距的確定

采用單一因素法對錨桿長度、間排距等參數逐一分析，以錨桿布置間排距為例，根據數值模擬計算結果得到巷道圍巖垂直應力分布如圖2。

圖2 不同間排距條件下頂板垂直應力分布規律圖

根據圖2 可知，巷道開挖斷面不變的情況下，錨桿的數量與其間排距呈反比，錨桿支護條件下其周圍巖層內壓應力呈“類錐形”，錨桿尾部壓應力最大，由尾部向端部逐漸減小，錨桿端部壓應力最小。當錨桿間排距為0.7 m、0.8 m 時，錨桿圍巖內的“錐形”壓力區橫向互相重合、匯聯，在頂板巖層形成整體支護結構，即形成了錨桿組合壓力拱結構，有利于頂板的穩定。當錨桿間排距為0.9 m 時，各個錨桿在圍巖內形成的“錐形”高壓力區基本相互獨立，不能夠形成組合壓力拱結構，不利于巷道圍巖的穩定。綜上，確定錨桿合理間排距0.8 m。同理得到錨桿合理長度2.2 m、直徑22 mm。

2.3 錨索布置方式確定

結合以往生產實踐經驗，頂板錨索設計以下四種布置方式：① 每排1 根，排距1.6 m；② “212”布置，間排距1.6 m；③ 每排2 根，間排距1.6 m；④ 每排3 根，間排距1.6 m。根據數值模擬結果得到不同布置方案條件下頂板巖層垂直應力分布規律如圖3 所示。可以看出，采用方式①時，錨索端部壓應力最大，錨索圍巖壓應力升高區寬度較窄，起不到良好的懸吊作用，不利于圍巖的穩定；采用方案②時，錨索圍巖內壓應力升高區范圍較大，且在巷道走向上能夠交匯、疊加，便于形成頂板壓力拱，利于巷道頂板的穩定；方案③、④條件下，圍巖壓應力在走向上疊加范圍更大，支護效果更好，但是支護成本同步增加。由此可知，錨索采用方案②最為經濟合理。同理確定頂板錨索合理長度為11.2 m。

圖3 錨索不同布置方式條件下頂板垂直應力分布規律圖

3 大巷優化支護方案

結合以往巷道支護經驗及數值模擬研究結果，設計二采區集中材料大巷采用錨網索支護。頂錨桿使用Φ22 mm×2200 mm 高強錨桿，錨桿間排距為0.8 m，呈“六·六”矩形布置，使用4.5 m 的六眼桁架；錨索使用Φ17.8 mm×11 200 mm 預應力鋼絞線，“二一二”叉花布置，錨索間排距為1.6 m×1.6 m。幫部錨桿同頂板，采用“四·四”布置，鋪設桁架聯體。錨桿墊片選用拱形高強度托板，規格為150 mm×150 mm×10 mm，配調心球墊及減磨墊圈，每孔配Z2360 及CKb2340 錨固劑各一條；錨索采用規格為300 mm×300 mm×16 mm 拱形高強錨索托板，鎖具型號為MX 型，每孔配Z2360 及CKb2340 錨固劑各兩條。如圖4。

圖4 集中材料巷道支護示意圖（mm）

4 礦壓監測

為摸清二采區集中材料大巷掘進期間礦壓規律及支護方式的合理性[4]，有必要對二采區集中材料大巷掘進期間的礦壓信息、受力狀態等數據進行采集并分析。根據現場監測數據，整理得到圖5 結果。圖5（a）所示巷道表面位移量變化曲線可以看出，巷道開挖15 d 后，圍巖形變速度漸漸減小，開挖支護約25 d 后漸漸穩定，頂底板移近量最大為47 mm，兩幫移近量最大為46 mm，巷道表面變形量微??；圖5（b）所示深部圍巖位移變化曲線可以看出，巷道頂板巖層變形隨著高度增大逐漸減小，頂板0～2 m 范圍內巖層變形較明顯，頂板穩定后最大變形量為25～39 mm，深度3～4 m 范圍內巖層變形較小，最大為12～16 mm，在頂板離層合理界限之內，頂板深度5 m 處相對位移量基本為零。由此表明，頂板深部巖層穩定性良好，淺部巖層變形在合理允許范圍內。圖5（c）、（d）所示錨桿、錨索載荷變化曲線可以看出，錨桿載荷自巷道開挖后逐漸增大后趨于穩定，最大值為122 kN，其拉拔載荷一般可達150～160 kN，說明錨桿載荷能力仍有較多富余，頂板錨索最大載荷為185 kN，其破斷的荷載約為 300 kN，錨索載荷仍有較多富余。由此表明，巷道較為安全。綜上，二采區集中材料大巷采用上述錨網索支護方案，巷道圍巖穩定性良好，能夠保障巷道的長久安全使用。

圖5 集中材料大巷礦壓綜合監測結果

5結語

以騰暉煤業二采區集中材料大巷為背景，展開托頂煤施工支護方案優化研究，通過實驗室試驗掌握巷道頂底板巖層物理力學參數，結合巷道地質條件建立三維數值模型。模擬研究確定頂板錨桿規格為直徑22 mm、長度2.2 m，合理間排距0.8 m，錨索直徑17.8 mm、長度11.2 m，合理布置方式“212”，間排距1.6 m。采用工程類比法并結合數值模擬研究結果設計二采區集中材料大巷支護方案，實地應用期間礦壓監測結果表明，巷道表面變形微小，頂板巖層穩定，錨桿、錨索載荷能力存在富余，該支護方案能夠實現巷道圍巖長期穩定的要求。