紅山煤業(yè)S01軌道巷頂板圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

劉 創(chuàng)

(紅山煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000)

1 工程概況

山西長治紅山煤業(yè)S01綜采工作面井下位置位于二采區(qū)南翼，東部為二采區(qū)南翼未采區(qū)，南部為井田邊界，西部為礦井井田的風氧化帶，北部為二采區(qū)南翼回風巷、南翼膠帶運輸上山巷、南翼軌道運輸上山巷。工作面開采3號煤層，煤層厚度為4.8～5.6 m，煤層平均傾角為15°，煤層內(nèi)均含有一層夾矸，夾矸層厚度為0.15 m，煤層頂?shù)装鍘r層特征如表1所示。S01軌道巷沿3號煤層底板掘進，巷道掘進寬×高=4.2 m×2.7 m，巷道頂板屬于非復合頂板，巷道擬采用錨網(wǎng)索支護技術(shù)進行圍巖控制，為保障圍巖控制效果，特進行錨網(wǎng)索支護方案設(shè)計與分析。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征

2 錨桿索支護參數(shù)分析

根據(jù)S01工作面的生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模型，模型長×寬×高=200 m×50 m×60 m，限制模型兩側(cè)邊的位移，固定模型底部的位移，模型上部施加等效荷載，本次模擬主要對巷道錨桿支護參數(shù)及錨索布置形式進行模擬分析，根據(jù)礦井生產(chǎn)經(jīng)驗，S01軌道巷中錨桿采用型號為MSGLW-400型左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿[1-3]，規(guī)格為D20 mm×2 400 mm，本次數(shù)值模擬主要進行錨桿間距、排距和錨索布置方式的模擬分析。

1) 錨桿間距：為確定巷道頂板和幫部錨桿合理的間距，設(shè)置頂板錨桿的間距分別為600 mm、700 mm和900 mm，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出頂板錨桿在不同間距下，圍巖及錨桿垂直應(yīng)力分布云圖如圖1所示。

分析圖1可知，當頂板錨桿間距為900 mm時，此時相鄰錨桿形成的應(yīng)力區(qū)不能有效連接，頂板錨桿支護作用范圍內(nèi)存在著錨固盲區(qū)，使得錨桿間的相互作用力不能對圍巖起到良好的支護效果，當錨桿間距縮小為700 mm時，此時相鄰錨桿間形成的應(yīng)力區(qū)域有效連接，尤其當錨桿與頂板垂直布置時，此時錨桿間的應(yīng)力區(qū)域擴散明顯，充分發(fā)揮了錨桿的承載能力；當錨桿間距進一步縮小為600 mm時，此時錨桿在頂板的作用范圍相互貫通，但錨桿預應(yīng)力擴散范圍的增大較為微小，其與錨桿間距為700 m時相比支護效果提升較為顯著，綜合上述，考慮確定巷道頂板錨桿間距為700 mm。

圖1 不同頂板錨桿間距下頂板預應(yīng)力場分布云圖

采用同樣的對比方式進行幫部錨桿間距的對比分析，分別設(shè)置幫部錨桿的間距為500 mm、700 mm和900 mm，根據(jù)模擬結(jié)果得出不同間距下圍巖預應(yīng)力長的分布云圖如圖2所示。

圖2 不同頂板錨桿間距下頂板預應(yīng)力場分布云圖

通過分析圖2可知，在巷道幫部錨桿間距為700 mm時，此時錨桿產(chǎn)生的壓應(yīng)力場能夠相互疊加，形成承載結(jié)構(gòu)，幫部錨桿支護時的錨固盲區(qū)也較少，基于模擬結(jié)果確定幫部錨桿的間距為700 mm。

1) 錨桿排距：根據(jù)礦井生產(chǎn)經(jīng)驗及相關(guān)錨桿支護理論分析[4-6]，設(shè)置頂板錨桿排距為700 mm、800 mm和900 mm，根據(jù)模擬結(jié)果能夠得出不同錨桿排距下圍巖預應(yīng)力長的分布規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同頂板錨桿排距下頂板預應(yīng)力場分布云圖

分析圖3可知，當頂板錨桿排距為900 mm時，每排錨桿形成的是獨立承載區(qū)域，頂板錨桿在軸向上預應(yīng)力擴散不能有效連接，頂板錨桿支護在軸向上不能形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)；當錨桿排距縮小為800 mm時，每排錨桿間的預應(yīng)力擴散區(qū)域有效連接在一起，錨桿在軸向和縱向上的錨固作用相互疊加，頂板形成一個有效的整體承載層，此時錨桿對巷道頂板的支護效果較好；當錨桿排距進一步縮小為700 mm時，錨桿有效壓應(yīng)力區(qū)的分布擴散基本與排距為800 mm時相似，錨桿支護的提升效果較小。

綜合上述分析，確定頂板錨桿的支護排距為800 mm。采用與頂板錨桿排距分析同樣的方式，確定幫部錨桿的排距為800 mm。

2) 錨索布置方式：根據(jù)工作面頂?shù)装鍘r層的條件，結(jié)合頂板巷道的特征，錨索采用1×7股高強度鋼絞線，錨索參數(shù)為D17.8 mm×7 300 mm，本次模擬主要對比分析錨索采用“2-0-2”布置(每排兩根，排距1 600 mm)、“2-1-2”布置(每排一根和兩根交替，排距800 mm)、“2-2-2”布置(每排兩根，排距800 mm)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出頂板錨索不同布置方式下圍巖應(yīng)力場的分布規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同頂板錨索布置方式下預應(yīng)力場分布云圖

分析圖4可知，當頂板錨索采用“2-0-2”布置方式時，此時錨索僅在尾部形成較強的壓應(yīng)力區(qū)，錨索壓應(yīng)力作用在走向切面上較為獨立；當錨索采用“2-1-2”布置時，此時頂板錨索在走向和橫向上有效連接，壓應(yīng)力場有效疊加，形成整體的承載結(jié)構(gòu)；當頂板錨索采用“2-2-2”布置方式時，錨索形成的壓應(yīng)力區(qū)域疊加范圍進一步擴大，錨索對頂板的控制效果進一步加強，但綜合考慮支護及成本因素，確定頂板錨索布置方式為“2-1-2”。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 支護方案

根據(jù)S01軌道巷頂板的具體地質(zhì)條件，結(jié)合上述錨桿索支護參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果進行巷道支護方案設(shè)計，巷道采用錨網(wǎng)索支護，具體支護參數(shù)如下：

1) 頂板支護：頂板錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，型號為MSGLW-400，規(guī)格參數(shù)為D20 mm×2 400 mm，間排距為700 mm×800 mm，頂板兩端頭錨桿與頂板成70°打設(shè)，其余錨桿均垂直于巷道頂板布置，錨桿的錨固長度為1 140 mm，錨桿預緊力為300 N·m。頂板錨索采用礦用1×7股高強度鋼絞線，規(guī)格參數(shù)為D17.8 mm×7 300 mm，錨索采用“2-1-2”布置，間排距為2 700 mm×800 mm，錨索預緊力為150 kN，錨固長度為1 750 mm，錨索均垂直于頂板布置，巷道頂部鋪設(shè)經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，錨桿索間采用鋼筋梯子梁進行連接，梯子梁采用D14 mm的圓鋼焊接而成，鋼筋梯子梁尺寸為：長×寬=3 800 mm×80 mm。

2) 幫部支護：錨桿型號同頂板，規(guī)格參數(shù)為D20 mm×2 200 mm，間排距為700 mm×800 mm，錨固長度為1 140 mm，幫頂?shù)捉堑腻^桿均與幫成70°布置，其余錨桿均垂直于巷幫布置，幫部最上面的錨桿距頂板300 mm，幫底角錨桿距底板同樣為300 mm，巷道幫部同樣采用經(jīng)緯網(wǎng)進行護幫，鋼筋梯子梁進行錨桿間的聯(lián)結(jié)。

具體巷道支護參數(shù)如圖5所示。

圖5 S01軌道巷支護方案布置示意(mm)

3.2 效果分析

S01軌道巷掘進期間，在巷道掘進迎頭位置處布置表面位移監(jiān)測站，巷道表面位移變化情況采用十字布點法進行觀測，隨著巷道掘進作業(yè)的進行持續(xù)進行監(jiān)測作業(yè)，根據(jù)巷道表面位移的監(jiān)測結(jié)果得出圍巖變形曲線如圖6所示。

圖6 巷道掘進期間圍巖變形曲線

分析圖6可知，S01軌道巷掘進期間，巷道頂板下沉和兩幫收斂主要發(fā)生在測站滯后掘進迎頭0～100 m的范圍內(nèi)，當測站滯后迎頭距離大于100 m后，此時圍巖變形速率開始大幅降低，當測站滯后掘進迎頭大于150 m時，頂板下沉和兩幫收斂量基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，頂板最大下沉量15 mm，兩幫最大收斂量為28 mm，據(jù)此可知巷道掘進期間圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 語

根據(jù)S01軌道巷頂板的具體特征，通過數(shù)值模擬進行錨桿索支護參數(shù)的分析，確定頂板和兩幫錨桿的合理間排距為700 mm×800 mm，頂板錨索采用“2-1-2”布置方式，基于數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合巷道特征具體進行錨桿索支護參數(shù)的分析；根據(jù)巷道掘進期間圍巖變形的監(jiān)測分析可知，巷道在現(xiàn)有支護方案下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。