中興礦3217沿空留巷底鼓特征及支護參數(shù)優(yōu)化研究

武守富

（汾西礦業(yè)集團中興煤業(yè)公司，山西 交城 030500）

1 工程背景

中興礦3217工作面采用沿空留巷技術(shù)，3217材料巷為上區(qū)段3215工作面回采過程中通過高水充填材料而保留的巷道，工作面切眼長度為190m，沿走向回采長度為1600m。主要開采2號煤層，煤層均厚1.8m，上覆頂板為軟弱復(fù)合頂板，主要成分為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖與薄煤層的復(fù)合巖層。3217工作面巷道均為矩形斷面，尺寸為5.0m（寬）×3.0m（高），原支護方式如圖1所示。

頂板支護：選用22×2400mm的螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為790×800mm，除靠近巷幫的兩根頂錨桿與水平方向成75°布置外，其余均垂直于頂板布置；每根錨桿配合使用K2355和Z2355錨固劑各一支；配合頂板錨桿，使用了W-280-3-4900-7型W鋼帶，尺寸為4900×280×3mm；頂板同時使用了錨索，尺寸為21.6×7300mm，間距1000mm，排距1600mm，錨固劑使用一支K2355型在上、兩支Z2355型在下。

幫部支護：使用20×2200mm的螺紋鋼錨桿，每排施工四根錨桿，上排錨桿距頂板300mm，錨桿間距均為800mm，排距800mm；錨固劑使用一支K2355型錨固劑，配合每根幫錨桿使用了尺寸為500×280×3mm的W鋼帶，上面三根幫錨桿的W鋼帶縱向布置，最下層的幫錨桿W鋼帶橫向布置；幫部使用幫錨索，采用 21.6×5300mm的鋼絞線錨索，間距為3200mm，據(jù)巷道頂板為1500mm。

圖1 3217材料巷支護斷面圖

2 3217材料巷沿空留巷底鼓規(guī)律

中興礦采用沿空留巷技術(shù)以來，在現(xiàn)場實踐中主要遇到的問題就是留巷底鼓量大，尤其二次回采過程中底鼓變形更為劇烈，嚴重時需進行多次臥底返修，成為制約回采速度的最大瓶頸。在3217材料巷內(nèi)布置2個圍巖變形測站，超前回采工作面距離分別為80m和100m，對二次回采過程中巷道圍巖變形進行觀測。

3217材料巷二次回采期間底鼓變形曲線如圖2所示。由圖2可知，在二次回采期間巷道底鼓量最大為142mm，最大底鼓變形速率為34mm/d，巷道底鼓變形可分為緩增期、快速增長期和激增期。在工作面前方100～40m范圍由于距離工作面較遠，受回采動壓影響較小，巷道底鼓變形量增長緩慢，底鼓量由0增長到40～50mm，最大底鼓變形速率為8mm/d，屬于底鼓變形緩增期；在工作面前方40～20m范圍，隨著回采的推進，巷道底鼓變形進入快速增長期，底鼓量增加到70mm，最大變形速率增長到15mm/d；在工作面前方20m范圍內(nèi)，受到工作面回采超前支承壓力的影響，巷道底鼓變形進入激增期，底鼓量由70mm激增到 128～142mm，最大底鼓變形速率達到34mm/d，發(fā)生嚴重底鼓變形。

圖2 3217材料巷二次回采期間底鼓變形曲線

3 底鼓原因分析及防治技術(shù)

3.1 底鼓原因

巷道底鼓是高應(yīng)力、破碎圍巖巷道變形和破壞的一種主要方式。井下巷道實際破壞狀況表明，中興礦巷道底鼓形式以力學(xué)型為主。由于巷道處于高應(yīng)力、破碎蠕變巖體中，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，整體性差，底鼓形狀多為整體底鼓和弧狀型底鼓，底鼓量較大，屬于強烈底鼓，局部地段屬于劇烈底鼓。

3.2 底鼓防治技術(shù)

高強度錨桿與錨索支護是一種優(yōu)越的支護方式，可以取得良好支護效果?？紤]到中興礦巷道底板巖性條件較差，將底腳錨桿（索）支護與巷旁支護、巷內(nèi)加強支護結(jié)合起來是一種有效控制巷道底鼓的方法。針對中興礦巷道破壞特征，擬采用高強度錨桿索、管縫式錨桿與巷旁、巷內(nèi)加強支護聯(lián)合治理加固技術(shù)來控制中興礦高應(yīng)力、破碎圍巖巷道底鼓。

結(jié)合工程設(shè)計經(jīng)驗，確定錨桿、錨索支護參數(shù)：頂?shù)装?、幫部錨桿長度不低于2m，間排距為0.8m～1.1m，錨桿直徑大于18mm，頂錨索長度擬定為7.3m，幫錨索長度擬定為5.3m。

考慮到中興礦沿空留巷變形以底鼓變形為主，結(jié)合“強幫強角固底”的支護理念，對原方案設(shè)計參數(shù)做出一定的優(yōu)化，具體如下：

頂板支護優(yōu)化：改變錨桿與錨索獨立布置的布設(shè)方法，改為錨桿與錨索同排布設(shè)，用W鋼帶連接固定。即頂板每排布設(shè)3根錨索，替換中間及兩側(cè)第二根錨桿，錨桿排距保持不變，其中兩側(cè)的頂錨索分別向兩邊傾斜15°，以達到對角部的強化作用；將頂板錨桿排距由800mm調(diào)整到900mm。

幫部支護優(yōu)化：幫部錨索與幫錨桿同排布置，替換從上向下第二根幫錨桿，每兩排幫錨索之間增設(shè)一道錨索；將幫部錨桿用16×2800mm鋼筋梯子梁固定；將幫錨桿的長度從2200mm調(diào)整到2400mm，和頂錨桿保持一致；將最上排幫錨桿向上傾斜15°布置，并將幫錨桿的錨固劑由原來一支Z2355改為與頂錨桿相同的錨固劑，即一支K2355錨固劑在上（孔底），一支Z2355錨固劑在下，以達到強化角部的效果；將幫錨桿排距由800mm調(diào)整到900mm。

底板支護優(yōu)化：在巷道掘進時，對底板做圓弧狀超挖，一方面改善圍巖應(yīng)力分布，另一方面可以作為抵御巷道底鼓變形的儲備；在巷道底腳增設(shè)一排34×1800mm管縫式錨桿，用于抵御巷道底腳周圍圍巖的剪切變形，具體布置方式見圖3所示。

圖3 3217材料巷支護方案優(yōu)化圖

4 數(shù)值模擬計算

為了驗證優(yōu)化方案效果，利用FLAC3D軟件進行建模分析。選擇模型寬度為65m，高度為40.3m，進深長度為80m，模型共173850個單元，183396個節(jié)點。巷道尺寸為5m×3m，巖層參數(shù)見表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

模型邊界條件為：底面固定，頂面自由，其余四面限制法向位移。模擬時在模型頂部施加補償荷載，其值為模型頂面所處地層的自重應(yīng)力。模型進行分步開挖，原方案每步1.6m，優(yōu)化方案每步1.8m，兩次開挖為一個循環(huán)，開挖階段模擬16個循環(huán)，即原方案開挖51.2m，優(yōu)化方案開挖57.6m。對錨桿和錨索的模擬均采用cable單元，W鋼帶則采用beam單元。

兩種方案的頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平咳鐖D4所示?？梢钥闯觯桨冈谝淮位夭珊箜?shù)装逡平繛?11mm，兩幫移近量為273mm，優(yōu)化方案在一次回采后頂?shù)装逡平繛?68mm，兩幫移近量為202mm；原方案在二次回采后頂?shù)装逡平繛?02mm，兩幫移近量為655mm，優(yōu)化方案在二次回采后頂?shù)装逡平繛?15mm，兩幫移近量為331mm。優(yōu)化方案在各個時期的巷道變形均大幅小于原方案，巷道最終變形量在330mm左右，可以滿足使用要求。

圖4 兩種方案不同時期巷道累計變形

巷旁支護所采用的不同支護措施對圍巖變形情況及變形劇烈程度密切相關(guān)。若采用墻式巷旁支護方式時，充填體寬度也將是影響底臌的主要影響因素?，F(xiàn)采用數(shù)值模擬的方法對巷旁充填體厚度進行優(yōu)化設(shè)計。模擬根據(jù)填充體厚度不同設(shè)計了三種方案，設(shè)置監(jiān)測點監(jiān)測填充體厚度分別為2.5m、3m、5m時的巷道變形。巷道變形及塑性區(qū)分布如圖5所示：

圖5 不同寬度填充體巷道圍巖塑性區(qū)分布

可以發(fā)現(xiàn)，隨著填充體寬度增加，充填體承載面積不斷增大，充填體下方塑性區(qū)分布面積增加。充填體寬度越大，分擔力的面積越大，傳遞給底板造成的破壞范圍相應(yīng)也大；但相應(yīng)的降低了煤壁一側(cè)及充填體下方的應(yīng)力集中，對抑制巷道底臌變形起到了積極的作用。位于巷道底板中點的監(jiān)測點顯示，充填體寬度由2.5m增加到3m時，底臌量減少了33%，充填體寬度由3m增加到5m時，底臌量僅減少8%。由此可見，一味地增加填充體寬度并不能更為有效地控制巷道變形，反而增加巷道建設(shè)成本。綜上所述，應(yīng)選擇3m的填充墻作為巷旁支護。

5 結(jié) 論

1）巷道底鼓是高應(yīng)力、破碎圍巖巷道變形和破壞的一種主要方式。井下巷道實際破壞狀況表明，中興礦巷道底鼓形式以力學(xué)型為主。針對中興礦巷道破壞特征，擬采用高強度錨桿索、管縫式錨桿與巷旁、巷內(nèi)加強支護聯(lián)合治理加固技術(shù)來控制中興礦高應(yīng)力、破碎圍巖巷道底鼓。

2）由數(shù)值模擬可知：原方案在一次回采后頂?shù)装逡平繛?11mm，兩幫移近量為273mm，優(yōu)化方案在一次回采后頂?shù)装逡平繛?68mm，兩幫移近量為202mm；原方案在二次回采后頂?shù)装逡平繛?02mm，兩幫移近量為655mm，優(yōu)化方案在二次回采后頂?shù)装逡平繛?15mm，兩幫移近量為331mm。

3）優(yōu)化方案在各個時期的巷道變形均大幅小于原方案，巷道最終變形量在330mm左右，同時將充填墻體寬度設(shè)置為3m，可以滿足巷道使用要求。