強采動影響下煤層大巷二次支護方案研究

崔元慶

(潞安集團 郭莊煤礦，山西 長治 046100)

巷道的穩(wěn)定性會直接影響到礦井的生產與安全。隨著煤巷錨桿支護技術的發(fā)展與提高，使得布置在巖層中的開拓、準備巷道改為在煤層中布置，實現(xiàn)了全煤巷道布置[1]。一些煤層大巷兩側布置的回采工作面開采完畢后，大巷會處于孤島煤柱內。孤島煤柱兩側的采動應力相互影響，甚至產生疊加，會對大巷的維護造成嚴重影響[2]，嚴重制約了礦井生產效率的提高，成為礦井急需解決的一大難題[3-4]。

1 工程背景

郭莊煤礦一采區(qū)膠帶巷沿3號煤層底板布置，3號煤層厚度6.5 m，巷道為矩形斷面，尺寸為寬×高=4.4 m×3 m，埋深267 m。煤層直接頂為粉砂巖，厚度0.82 m；基本頂為2.03 m厚的砂巖；底板為0.82 m厚的泥巖和11.74 m厚的中砂巖。東側布置有推進方向與膠帶巷延伸方向一致的3個回采工作面(1303、1302、1301工作面)，已于2001年回采完畢，留設的保護煤柱寬度為50 m；西側為2301工作面，保護煤柱寬度為60 m，回采完該工作面后，一采區(qū)膠帶巷處于一個孤島煤柱中。在兩側工作面回采過程中以及回采結束后，一采區(qū)膠帶巷收縮變形劇烈，表層所噴漿體開裂脫落，部分錨桿被拉斷，托盤變形嚴重。兩工作面之間由西向東依次為一采區(qū)回風巷、一采區(qū)軌道巷、一采區(qū)膠帶巷、一采區(qū)新回風巷，除膠帶巷沿3號煤層底板布置外，其余均沿煤層頂板布置，且兩側工作面回采后仍能保持巷道完好，基本無采動影響。一采區(qū)膠帶巷是郭莊煤礦的基礎大巷之一，服務年限長，還要繼續(xù)完成整個水平的運輸任務，所以解決一采區(qū)膠帶巷的二次支護問題十分重要。為此，本文針對郭莊煤礦一采區(qū)膠帶巷在強采動影響下的二次支護進行研究。一采區(qū)膠帶巷采掘工程平面見圖1所示。

膠帶巷原頂板支護采用D20 mmL2 400 mm的螺紋鋼錨桿，每排4根，排距1 100 mm，間距1 200 mm，靠近巷道幫部處的錨桿安設角度為與垂線呈20°，其他垂直頂板打設；配備6 mm厚圓形托盤，圓托盤直徑80 mm；梯子梁采用D14 mm圓鋼焊接，梯子梁長3.8 mm；鋪設由10號鉛絲編織的金屬網(wǎng)。

兩幫支護采用D16 mmL2 000 mm的圓鋼錨桿，每排3根，排距1 100 mm，間距1 200 mm，靠近頂板的錨桿上仰20°打設，靠近底板的錨桿下扎10°安裝，其余水平布置；配備6 mm厚圓蝶形托盤，圓托盤直徑80 mm；梯子梁采用D14 mm圓鋼焊接，梯子梁長2.4 m；金屬網(wǎng)為10號鉛絲編織的金屬網(wǎng)。

支護完成后在巷道表面進行噴漿處理，噴漿厚度100 mm。支護示意如圖2。

2 二次支護設計

2.1 二次支護方案的提出

針對一采區(qū)膠帶巷受采動影響出現(xiàn)的變形問題，現(xiàn)提出兩種二次支護方案進行對比，以確定最優(yōu)方案。為了對比方案效果，連同原方案一起進行數(shù)值模擬分析。方案內容見表1。表中錨桿均采用直徑為22 mm，長度為2 400 mm的高強螺紋鋼錨桿，錨索均采用D22 mmL7 300 mm。支護參數(shù)示意如圖3所示。

圖2 一采區(qū)膠帶巷原支護參數(shù)(mm)

方案頂板兩幫方案I原方案原方案方案II每相鄰兩排錨桿中間補打一排6根錨桿,間排距800 mm×1 100 mm,梯子梁采用D14 mm圓鋼焊接;原錨桿處每排補打2根錨索,間排距2 000 mm×1 100 mm。 每相鄰兩排錨桿中間補打四根錨桿,間排距850 mm×1 100 mm方案III每相鄰兩排錨桿中間交替補打一排6根錨桿、2根錨索,錨桿間排距800 mm×2 200 mm,錨索間排距2 000 mm×2 200 mm,梯子梁采用D14 mm圓鋼焊接每相鄰兩排錨桿中間補打兩根錨桿,間排距1 200 mm×1 100 mm

圖3 支護參數(shù)示意(mm)

2.2 數(shù)值模擬模型的建立

取1303工作面采空區(qū)與一采區(qū)膠帶巷之間的煤柱寬度為50 m，2301工作面運巷和一采區(qū)膠帶巷之間煤柱寬度為60 m，通過FLAC數(shù)值計算，比較分析膠帶巷在采用兩種不同的二次支護方案時的巷道穩(wěn)定性，最終確定合理的二次支護方案。模擬過程為：計算原巖應力—掘進一采區(qū)膠帶巷并采用原支護方案支護—回采1303工作面—回采2301工作面—二次支護膠帶巷。

以一采區(qū)膠帶巷實際地質條件為背景，建立的模型寬為244.4 m，高為71.81 m，對模型上邊界進行加載時載荷按采深240 m深度的上覆巖層重力進行計算，保持模型底邊界在垂直方向上固定，維持模型的左右邊界在水平方向上保持不動，原始數(shù)值計算模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值計算模型

2.3 模擬結果分析

通過FLAC數(shù)值計算，在不同支護方案下，膠帶巷圍巖變形量如表2，變形特征如圖5所示，圖6為不同支護條件下膠帶巷位移矢量圖。

表2不同支護方案下膠帶巷圍巖變形量mm

方案底鼓量頂板下沉量兩幫移近量Ⅰ48107231Ⅱ3261142Ⅲ3765163

圖6 不同支護方案下皮帶巷位移矢量

由表2、圖5、圖6可知：

1) 采取原有支護方案，膠帶巷圍巖底鼓量、頂板下沉量、兩幫移近量分別為48 mm、107 mm、231 mm，三者都比較大，尤其兩幫移進量，已影響后期巷道使用，若不采取及時有效的二次支護，巷道勢必出現(xiàn)持續(xù)大變形直至巷道圍巖結構徹底破壞。

2) 雖然方案Ⅱ、Ⅲ不盡相同，但是，模擬計算結果非常明顯地表明二次支護對巷道圍巖變形起到了有效的控制。

3) 采用方案Ⅱ后，巷道底鼓量、頂板下沉量、兩幫移近量為32 mm、61 mm、142 mm，分別下降33.3%、43%、38.5%；采用方案Ⅲ后，巷道底鼓量、頂板下沉量、兩幫移近量為37 mm、65 mm、163 mm，分別下降22.9%、39%、29.4%；

4) 兩種二次支護方案相比較，方案Ⅱ的支護效果更優(yōu)于方案Ⅲ。況且，方案Ⅱ的高支護強度的錨桿布置特點更適合一采區(qū)膠帶巷在強采動影響下的頂板、兩幫大變形性質。因此，本文采用方案Ⅱ對一采區(qū)膠帶巷進行二次支護。

3 應用效果分析

采用方案Ⅱ對一采區(qū)膠帶巷進行二次支護后，對巷道表面位移和錨桿受力進行了觀測，結果如圖7、圖8。從圖7可以看出：采用二次加強支護后，巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?5 mm，兩幫移近量最大為15 mm，說明二次支護參數(shù)合理，調動了圍巖的承載能力，有效控制了圍巖的變形。

圖7 二次支護后巷道表面位移

圖8 二次支護后錨桿軸向受力

從圖8可以看出：二次支護后，左幫錨桿受力在0～7 d由41 kN增加到44 kN，較初始安裝時基本不變；頂板中部錨桿初始受力45kN，在11d后，錨桿受力逐漸增加到57kN，之后基本不再變化；右?guī)湾^桿受力在0～13d由52kN持續(xù)增大至74kN，在13～27d緩慢增大至76kN，最終保持不變。