松散破碎全煤準備巷道圍巖控制技術研究

孟 超

（霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西霍州煤電集團騰暉煤業現階段回采2 號煤層位于山西組下段上部，煤層總厚5.06～5.18 m。三采區回風巷布置于2 號煤層三采區，掘進期間需按順序依次穿過原海圣、豐鑫源、老大灣、老小灣、小灣溝等5 座小煤窯采掘活動區域的4 采空區：CK2-11 采空區（采空面積206 834 m2）、原海圣主要積水巷道、CK2-8 采空區（采空面積55 074 m2）、CK2-7（采空面積409 206 m2）。三采區回風巷服務三采區回風，設計長度為2173 m，正常掘進期間沿煤層頂板掘進，過采空區、空巷特殊區域以6°上山施工。巷道沿煤層底板布置，頂底板巖層詳情見表1。

表1 三采區回風巷頂底板巖層詳情

2 三采區回風巷支護及變形現狀

三采區回風巷采用錨網噴支護，支護詳情見圖1（a）。巷道開挖凈寬4.8 m，直墻高度1.2 m，半圓拱高2.4 m。

三采區回風巷自2021 年8 月掘進初期，采用十字交叉法監測圍巖表面變形情況。1#測點的觀測工作從8 月17 日開始，巷道開挖支護完成后表面變形位移量變化曲線如圖1（b）所示。巷道開挖0～20 d 范圍內，表面變形量持續增大，頂底板及兩幫相對移近量已達到140 mm 以上，巷道表面變形較大，且圍巖無明顯趨于穩定的趨勢。表明當前支護強度不足，安全狀況欠佳，需采取更為合理有效的支護工藝及方案。

3 支護參數模擬研究及優化

3.1 建立數值模型

為探究不同支護參數變化對于三采區回風巷圍巖穩定性的影響，以該巷道工作面地質條件及原支護方案為基礎，借助UDEC 數值模擬軟件進行研究[1-2]。模型邊界尺寸寬、高分別為80 m、115 m，模型底面固定，左右邊界設置水平位移限制條件，模型頂面設置為地層的等效載荷10 MPa，巖層采用摩爾-庫倫模型。各地層參數詳見表2。

表2 三采區回風巷頂底板巖石力學參數表

3.2 錨桿長度優化研究

為確定最為合理的錨桿支護參數，采用單一因素法分別進行錨桿長度、直徑、布置方式的模擬研究分析。首先建立不同錨桿長度條件下的模擬方案，錨桿長度設計為1.8～2.4 m，得到塑性區分布情況如圖2。“*”表示該單元體正在屈服單元，“×”表示該單元體已經屈服單元。統計各方案條件下圍巖塑性破壞深度及表面變形量模擬結果，結果詳見表3。

圖2 錨桿不同長度條件下圍巖塑性區分布

表3 模擬結果統計詳表

根據圖2 及表3 所示模擬研究結果分析可知，錨桿長度在1.8～2.4 m 范圍內變化時，對于巷道頂板巖層控制效果較好，兩幫及底板塑性破壞范圍較大；錨桿長度由1.8 m 增大到2.0 m 時，圍巖塑性破壞范圍減小幅度較大，表面變形量減小也相對明顯；錨桿長度繼續增大為2.2 m、2.4 m，各項數據小幅度漸緩，圍巖控制效果提升較弱。綜上確定錨桿合理長度為2.0 m，同理得到錨桿直徑20 mm、間排距0.8 m。

3.3 底板支護分析

底板支護方案設計：方案一，反底拱支護；方案二，反底拱+錨注，注漿錨桿直徑22 mm、長度1.4 m，間排距1.6 m。模擬得到圍巖塑性區分布情況如圖3。

采用反底拱支護方式時，巷道兩幫及底角斜下方圍巖塑性破壞深度相對無支護條件下明顯減小，底板中部底鼓量為144.3 mm，底鼓量明顯減小，但是仍然較大，且底板下方及兩幫下方圍巖塑性破壞深度和范圍較大，不利于巷道圍巖的整體穩定；采用反底拱錨注聯合支護時，巷道兩幫及底角斜下方向位移塑性破壞深度顯著減小，底板底鼓量最大為47.5 mm，圍巖控制效果明顯。由此確定底板采用反底拱錨注聯合支護方式。

4 三采區回風巷優化支護方案

結合騰暉煤業以往巷道支護經驗及數值模擬研究結果，優化三采區回風巷錨網索+反底拱錨注聯合支護方案。頂幫錨桿使用Φ20 mm×2000 mm 高強錨桿，錨桿間排距為0.8 m，每排12 根；錨索使用Φ15.24 mm×7000 mm 預應力鋼絞線，“202”布置，錨索間排距為1600 mm×1600 mm。其中錨桿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；錨索每孔配Z2360 及CKb2340 錨固劑各兩條。注漿錨桿直徑22 mm、長度1400 mm，間排距1600 mm，注漿材料為高水速凝材料，水灰比為1.5:1。具體支護形式如圖4。

圖4 三采區回風巷優化支護方案（mm）

5 礦壓綜合監測

為摸清騰暉煤業三采區回風巷采用優化支護方案掘進期間礦壓規律及支護方式的合理性，對三采區回風巷掘進期間的礦壓信息、受力狀態等數據進行采集并分析[3]，整理得到圖5 所示結果。分析可知，巷道開挖15 d 后，圍巖形變速度漸漸減小，約25 d后漸漸穩定，頂底板移近量64 mm、兩幫移近量58 mm，較原支護減小50%以上。根據圖5（b）所示錨桿載荷變化曲線可以看出，在2～3 d 后受力狀態明顯增加，10 d 之后增速放緩，15 d 之后基本穩定，錨桿載荷穩定在55～65 kN 之間，錨桿和圍巖已經共同形成承載結構。綜上，三采區回風巷采用優化支護方案掘巷期間圍巖穩定性良好，預計能夠保障巷道的長久安全使用。

圖5 三采區回風巷礦壓綜合監測結果

6 結語

騰暉煤業三采區回風巷初期掘進期間采用錨網噴支護，巷道圍巖變形速度快、持續時間長，支護強度不足。借助UDEC 數值模擬軟件建立數值模型，對支護方案進行模擬分析優化，確定錨網索噴支護具體參數，優選底板采用反底拱錨注聯合支護方案。針對實施方案進行現場觀測，圍巖變形量相對于原支護減小50%以上，錨桿工作性能良好，圍巖穩定性得到有效控制，設計方案在騰暉煤業得到了成功應用。