五陽(yáng)煤礦7603孤島工作面巷道圍巖控制技術(shù)研究

王濤斌

（潞安環(huán)能股份有限公司五陽(yáng)煤礦，山西 長(zhǎng)治 046200）

受相鄰工作面回采所產(chǎn)生動(dòng)壓的影響，孤島工作面的煤體易發(fā)生破碎，加劇了支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，加之工作面自身回采的影響，極容易導(dǎo)致巷道圍巖在較大的巷道礦壓下發(fā)生變形，對(duì)采礦安全性形成威脅，因此，探索孤島工作面巷道圍巖控制技術(shù)，顯得十分必要。因此，以五陽(yáng)煤礦7603孤島工作面為工程對(duì)象，綜合利用數(shù)字模擬和理論分析等方法，對(duì)其支護(hù)方案和圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了探索。

1 工作面地質(zhì)概況

五陽(yáng)煤礦7603孤島工作面的埋藏深度介于429m到514m之間，主采3#煤層，平均煤層厚度為6.16m，煤層傾角介于3°到15°之間，平均傾角為7°左右。7603臨近的7601和7605工作面的回采工作已經(jīng)結(jié)束，因而，7603工作面屬于孤島工作面。7603工作面的運(yùn)輸巷與7605工作面接近，巷道斷面為倒梯形，保護(hù)煤柱高30m，巷道寬5.5m，兩幫分別長(zhǎng)4.2m與3.5m。運(yùn)輸巷的底板主要以砂巖和泥巖為主，頂板以泥巖、砂泥巖以及砂質(zhì)泥巖為主。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，在相鄰工作面動(dòng)壓的作用下，會(huì)導(dǎo)致兩幫發(fā)生嚴(yán)重變形，同時(shí)會(huì)引發(fā)底鼓現(xiàn)象，7603工作面位置示意圖如圖1所示。

圖1 7603孤島工作面示意圖

2 運(yùn)輸巷的支護(hù)問(wèn)題和設(shè)計(jì)方案

2.1 巷道支護(hù)問(wèn)題

1）在運(yùn)輸巷的掘進(jìn)過(guò)程中，頂板較為完整，未出現(xiàn)明顯變形和下沉現(xiàn)象，局部地段發(fā)生底鼓，兩幫存在嚴(yán)重變形。

2）巷道支護(hù)之間缺乏有效連接，支護(hù)整體性欠佳，巷幫支護(hù)未能利用頂板承載力，未能構(gòu)成同控體系。

3）錨桿錨索未傾斜安裝，無(wú)法形成協(xié)調(diào)支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.2 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

在明確巷道支護(hù)問(wèn)題及工作面地質(zhì)概況的基礎(chǔ)上，7603工作面運(yùn)輸巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如下：

1）針對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性差的問(wèn)題，應(yīng)在利用錨網(wǎng)梁組合以及高強(qiáng)錨桿進(jìn)行支護(hù)的同時(shí)，強(qiáng)化網(wǎng)的韌性和梁的強(qiáng)度，構(gòu)建高強(qiáng)錨固體系，以此，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖變形的科學(xué)防范，并將應(yīng)力作為參考依據(jù)，合理選用全長(zhǎng)錨固或者加長(zhǎng)錨固方式。

2）借助于數(shù)值模擬分析，明確不同支護(hù)參數(shù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，選擇最優(yōu)錨桿參數(shù)，結(jié)合巷道施工信息反饋，對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行科學(xué)設(shè)定，制定最佳支護(hù)方案。

3）實(shí)現(xiàn)錨桿與錨索的有機(jī)結(jié)合，提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性能，防止因局部應(yīng)力過(guò)大，對(duì)整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞。同時(shí)，為了防控圍巖變形，應(yīng)傾斜安裝錨桿，提升巷道幫頂?shù)椎恼w性。

3 巷道支護(hù)參數(shù)模擬數(shù)值分析

結(jié)合7603工作面的地質(zhì)條件，構(gòu)建模型圖如圖2所示。模擬埋藏深度460m，模型長(zhǎng)、寬、高分別為230m、120m和160m，模型底部為固定邊界，4個(gè)側(cè)面可水平移動(dòng)。該模型的單元和節(jié)點(diǎn)分別為450560個(gè)和473387個(gè)。巷道頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

表1 頂板和底板的力學(xué)參數(shù)表

3.1 模擬方案

選用正交模擬方法，在原巷道支護(hù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)。

1）若錨桿（索）采取垂直安裝方法，錨桿間排距設(shè)置為900mm×900mm，錨索為7300mm，則錨桿的模擬長(zhǎng)度可設(shè)置為 2.0m、2..2m、2.4m、2.6m、2.8m，巷道圍巖應(yīng)力狀況。

2）若錨桿（索）采取垂直安裝方法，錨桿長(zhǎng)2.4m，錨索為7300mm，則模擬錨桿間排距可設(shè)置為800mm ×800mm、900mm ×900mm、1000mm ×1000mm、1100mm×1100mm，巷道圍巖變形規(guī)律。

3）若錨桿間排距設(shè)置為900mm×900mm，錨索長(zhǎng)7300m，錨桿長(zhǎng)2.4m，若實(shí)施垂直安裝方式，模擬頂板錨索采取“303”以及“323”五花布置，巷道圍巖變形規(guī)律。

4）若錨索長(zhǎng)度和錨桿長(zhǎng)度分別為7300mm和2.4m，錨桿間排距設(shè)置為900mm×900mm，模擬巷道兩幫錨桿摸索傾斜15°、10°、5°和垂直布置時(shí)，巷道圍巖變形情況。

3.2 錨桿長(zhǎng)度模擬結(jié)果

如圖3所示，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加（2.0m增長(zhǎng)至2.4m），頂板下沉量和窄煤柱幫、實(shí)體煤幫移進(jìn)量明顯縮小，底鼓量變化不明顯?；阱^桿長(zhǎng)度為2.8m時(shí)，巷道圍巖變形未在錨桿2.4m的基礎(chǔ)上發(fā)生改變，據(jù)此可將錨桿長(zhǎng)度設(shè)定為2.4m。

圖3 不同錨桿長(zhǎng)度下的巷道圍巖變形云圖

3.3 錨桿間排距模擬結(jié)果

如圖4所示，若錨桿間排距為1100mm×1100mm，巷道最大變形量為215.1m，隨著間排距的縮小，最大變形量也逐漸降低，這一結(jié)果表明錨桿間排距過(guò)大，容易降低巷道穩(wěn)定性，因此，應(yīng)將錨桿間排距設(shè)定在800mm到1000mm之間。

圖4 不同錨桿間排距下的巷道圍巖變形云圖

3.4 錨索布置方式模擬結(jié)果

如圖 5所示，與“303”布置方式相比，“323”布置方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)頂板變形的有效控制。考慮到7603孤島工作面底鼓和兩幫變形嚴(yán)重的現(xiàn)狀，采用“323”方式對(duì)頂板錨索進(jìn)行布置，容易導(dǎo)致巷道維護(hù)成本增加，為了防范頂板變形，在錨索布置過(guò)程中，采用“303”布置方式。

圖5 不同錨索布置方式的巷道圍巖變形云圖

3.5 幫錨桿錨索角度模擬結(jié)果

基于整體性原則，應(yīng)將錨桿傾斜安裝，使桿尾能夠錨固在巷道頂?shù)装?，借助于托梁?duì)頂板和巷幫進(jìn)行支護(hù)，形成整體，產(chǎn)生對(duì)巷道圍巖變形的控制作用。如圖6所示，巷道水平位移量隨著傾角的增大而逐漸縮小，當(dāng)煤柱側(cè)的巷幫變形量逐漸減小，實(shí)體煤側(cè)的變形量也隨之減小。當(dāng)傾角為15°時(shí)，變形量為垂直狀態(tài)的47.4%，當(dāng)傾角為10°時(shí)，變形量為垂直狀態(tài)的53.7%，因此，為了降低施工施工成本，簡(jiǎn)化施工流程，建議將運(yùn)輸巷幫錨桿錨索的傾角設(shè)置為10°。

圖6 不同傾角下的巷道水平位移云圖

4 巷道支護(hù)方案及支護(hù)效果

4.1 圍巖變形控制方案

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，將巷道圍巖控制方案參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

1）頂板支護(hù)。選用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼的高強(qiáng)錨桿作為頂錨桿，規(guī)格為d22mm×2400mm，錨桿間排距設(shè)置為850mm×900mm，每排7根，預(yù)緊扭矩設(shè)置為400N·m，頂板借助于金屬網(wǎng)和直徑為16mm、長(zhǎng)度為5500mm的鋼筋梯子梁進(jìn)行輔助支護(hù)，錨索規(guī)格為d22mm×73900mm，金屬網(wǎng)的規(guī)格為5500mm×1000mm，以303五花布置方式為主，間排距設(shè)置為1600mm×1800mm，借助于Z2360型樹(shù)脂錨固劑（2支）和K2335型樹(shù)脂錨固劑進(jìn)行錨固處理，錨固長(zhǎng)度應(yīng)≥1.97m，預(yù)緊力應(yīng)≥400KN。

2）巷幫支護(hù)。選用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼的高強(qiáng)錨桿作為頂錨桿，規(guī)格為d22mm×2400mm，錨桿間排距設(shè)置為900mm，下幫設(shè)置4根錨桿，上幫設(shè)置4根錨桿，間排距950mm，預(yù)緊扭矩設(shè)置為400N·m。梯子梁的規(guī)格為d16mm，上、下幫長(zhǎng)度分別為4100mm和3500mm。上幫金屬網(wǎng)的規(guī)格為4100mm×1000mm，下幫金屬網(wǎng)的規(guī)格為3500mm×1000mm，在煤柱側(cè)安裝長(zhǎng)5300mm的錨索，每排設(shè)置2根錨索，間排距設(shè)置為為1800mm×1800mm，上部錨索向上傾斜10°，距離頂板1000mm，下部錨索向下傾斜10°，距離底板700mm。預(yù)緊力和錨固方式與頂板支護(hù)相同。

4.2 工業(yè)性檢驗(yàn)

原巷道的兩幫變形量約為1000mm，錨桿錨索存在嚴(yán)重?fù)p耗，無(wú)法形成巷道安全性的保障。為了科學(xué)評(píng)判巷道支護(hù)質(zhì)量，持續(xù)檢測(cè)了運(yùn)輸巷的位移情況。結(jié)果顯示，頂板和兩幫的最大移近量分別為385mm和577mm，頂板和兩幫的變形均處于可控范圍內(nèi)?？偟膩?lái)說(shuō)，新支護(hù)方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)圍巖有害變形的科學(xué)防控，有助于確保各項(xiàng)生產(chǎn)正常進(jìn)行。

圖7 巷道支護(hù)效果

5 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)運(yùn)輸巷支護(hù)問(wèn)題進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫存在明顯變形，底鼓現(xiàn)象存在于部分地段，因此，應(yīng)實(shí)施錨網(wǎng)梁組合支護(hù)方法，選用高強(qiáng)錨桿，實(shí)現(xiàn)幫頂?shù)椎耐娇刂?，?shí)現(xiàn)對(duì)圍巖變形的科學(xué)防控。

2）通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬分析，基于不同錨桿安裝傾角、布置方式、錨桿長(zhǎng)度以及間排距下的巷道圍巖變形情況，并據(jù)此選擇最佳支護(hù)參數(shù)。

3）結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)五陽(yáng)煤礦7603孤島工作面的圍巖變形控制方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示，巷道圍巖和兩幫的最大移盡量均在允許范圍內(nèi)，有效提升了巷道的安全性。