東曲礦回采巷道支護技術(shù)研究

張 睿

（西山煤電(集團)有限責任公司安監(jiān)局，山西 太原 030053）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國煤炭資源總量逐漸減小，這導致煤炭開采逐漸向深部發(fā)展[1]，隨之而來出現(xiàn)許多問題，回采工作面巷道圍巖的控制問題是工作面實現(xiàn)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵[2-3]，由于我國各煤礦地質(zhì)條件千差萬別，因此，不同煤礦回采工作面的回采巷道圍巖變形問題復雜多變[4-5]。

東曲礦煤層埋深較大，工作面回采巷道在掘進時期，圍巖變形量大，當工作面回采時，巷道變形劇烈，圍巖變形呈非對稱性且與時間有關(guān)，如何有效控制巷道圍巖變形，實現(xiàn)高產(chǎn)高效化生產(chǎn)是東曲礦目前面臨的主要問題。因此，本文對東曲煤礦巷道支護參數(shù)進行研究。

1 工程概況

東曲礦隸屬于西山煤電集團，煤礦位于山西省古交市，煤礦開采煤層為9#煤層，煤層厚度為2.20～3.13m，平均厚度為2.7m，屬于中厚煤層，煤層傾角為1°～8°，平均為5°，煤層屬于近水平煤層，煤層埋深最大為350m。9102工作面回采過程中，巷道變形嚴重，如圖1所示。回采巷道受動壓影響，局部地段出現(xiàn)冒頂情況。因此，需對回采巷道圍巖變形特征及支護參數(shù)進行研究，巷道原支護參數(shù)為錨桿采用Ф20×2000mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800×800mm，錨索為Ф17.8×6000mm的鋼絞線，間排距為1400mm×1600mm。

圖1 巷道圍巖變形情況圖

2 巷道支護方案設(shè)計

通過現(xiàn)場分析可知，東曲煤礦巷道圍巖在掘進期間變形情況嚴重，回采巷道受工作面動壓影響后，巷道圍巖易發(fā)生冒頂事故，巷道變形特征為圍巖變形呈現(xiàn)非對稱性，且與時間因素有關(guān)。經(jīng)過專家及技術(shù)人員的判斷分析可知，回采巷道圍巖變形嚴重的主要原因為：巷道所采用的錨桿錨固長度不足；另據(jù)現(xiàn)場試驗，當提高錨桿預(yù)緊力時，圍巖變形情況較為緩和，因此可以確定，回采巷道所安設(shè)的錨桿預(yù)緊力不足及巷道掘進后支護不及時也是巷道變形破壞的原因。因此，設(shè)計新支護方案為將原支護方案中頂板及幫部錨桿加長為2400mm，間排距為800mm×800mm，預(yù)緊力為70kN，頂板錨索長度為6000mm，間排距為1400×1600mm。

3 圍巖變形控制技術(shù)

3.1 巷道支護方案數(shù)值模型建立

通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模擬模型，模型尺寸為：長為210m，寬為150m，高為120m，模型共劃分693329個單元格，700385個節(jié)點，模型邊界條件為模型四周及模型底部固定，限制水平及垂直位移和應(yīng)力，模型頂部施加9.03MPa原巖應(yīng)力。數(shù)值模擬模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

3.2 模擬過程

模擬過程為：（1） 建立數(shù)值模擬模型，如圖2所示；（2）初始平衡，初始平衡后，模型物理力學條件同煤層地質(zhì)條件下力學條件相同；（3） 開挖工作面回風及運輸順槽，并采用所設(shè)計支護參數(shù)對回風及運輸順槽進行支護；（4） 回采9102工作面，監(jiān)測超前工作面30m處，回風及運輸順槽圍巖變形情況；（5）模擬結(jié)果分析。

3.3 模擬結(jié)果分析

圖3所示為東曲煤礦9102回采工作面回采巷道在巷道掘進及工作面回采時圍巖塑性區(qū)云圖，當9102工作面順槽掘進后采用本文設(shè)計的支護方案進行支護時，掘進巷道掘進支護后，巷道兩幫塑性區(qū)深度均為0.5m，巷道頂板破壞深度為1m，巷道塑性區(qū)破壞深度較小，處于錨桿錨固范圍內(nèi)，說明該支護方案能夠滿足回采巷道在掘進期間的穩(wěn)定性；當工作面回采時，工作面超前支撐壓力影響范圍為30m，工作面前方30m處巷道圍巖塑性區(qū)破壞范圍大，9102工作面回采巷道兩幫塑性區(qū)破壞深度均為1.5m，小于錨桿錨固長度，頂板破壞深度為2m，小于錨桿錨固長度；9102回采工作面前方50m處，回采巷道兩幫破壞深度均為1.5m，頂板破壞深度為1.5m，頂板及兩幫塑性區(qū)破壞深度均小于錨桿錨固長度；9102回采工作面前方90m處，回采巷道兩幫破壞深度均為1m，頂板破壞深度為1.5m，頂板及兩幫塑性區(qū)破壞深度均小于錨桿錨固長度。由此分析可知，所設(shè)計的錨桿（索）支護方案能滿足東曲煤礦回采工作安全生產(chǎn)的需要，工作超前支撐壓力影響范圍為30m，距工作面距離越遠，回采巷道圍巖穩(wěn)定性越好。

圖3 掘進及回采巷道工作面塑性區(qū)云圖

4 支護效果觀測

為進一步檢驗所設(shè)計回采工作面回采巷道的支護方案的可行性，東曲煤礦采用所選支護方案后，對巷道圍巖位移量進行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明，回采巷道在掘進期間，頂板最大位移量為12mm；工作面回采期間，圍巖最大位移量是工作面前方30m處，頂板最大下沉量34mm。巷道圍巖變形量小，說明所選支護方案能夠滿足安全生產(chǎn)需要。圖4為回采巷道支護參數(shù)圖，圖5為回采巷道圍巖支護效果圖。

5 結(jié)論

（1）現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)東曲煤礦9102工作面回采巷道變形嚴重，局部位置出現(xiàn)冒頂，回采巷道原支護方案無法滿足工作面安全生產(chǎn)需要，巷道變形特征為巷道圍巖呈現(xiàn)非對稱性，且與時間因素有關(guān)。

（2）理論分析回采巷道支護參數(shù)為：錨桿采用Ф22×2400mm，間排距為800×800mm，錨索采用Ф17.8×6000mm，間排距為1400mm×1600mm。

（3）數(shù)值模擬研究表明東曲煤礦9102工作面采用設(shè)計的方案時，巷道在掘進期間兩幫塑性區(qū)最大破壞深度為0.5m，頂板最大塑性區(qū)破壞深度為1m，工作面回采期間，工作面前方巷道兩幫最大塑性區(qū)破壞深度為1.5m，頂板最大塑性區(qū)破壞深度為2m，說明所設(shè)計的支護方案能夠滿足回采工作面支護要求。

（4）工程實踐監(jiān)測結(jié)果表明，巷道掘進期間，頂板最大下沉量為12mm，工作面回采期間，工作面前方回采巷道頂板最大下沉量為34mm，圍巖變形量小，再次說明所設(shè)計的支護方案能夠滿足要求。

圖4 回采巷道支護參數(shù)圖（單位：mm）

圖5 巷道圍巖支護效果圖