大斷面8230進(jìn)風(fēng)巷合理支護(hù)技術(shù)研究

牛 棟

（山西陽(yáng)煤集團(tuán)，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 概況

山西陽(yáng)煤五礦8230工作面開(kāi)采的15號(hào)煤層為較復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，一般含矸3～4層，巖性為泥巖，堅(jiān)固性系數(shù)f為2。該煤層煤巖類(lèi)型為半亮型～光亮型，煤層平均厚度6.1m，平均傾角8°。基本頂為中粒砂巖，平均厚度7.0m，堅(jiān)固性系數(shù)f為4；直接頂為黑色泥巖，平均厚度10.45m，堅(jiān)固性系數(shù)f為3；直接底為黑色砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.43m，堅(jiān)固性系數(shù)f為3；基本底為灰黑色細(xì)砂巖，平均厚度3.15m，堅(jiān)固性系數(shù)f為4。

8230工作面順槽巷道均為矩形巷道，巷道斷面寬度為5m，高度為3.2m。巷道原有的支護(hù)形式主要為錨桿和金屬網(wǎng)支護(hù)，采用鋼梁對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)加固。在原有的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)下，頂板部分區(qū)域下沉量明顯，裂隙發(fā)育顯著，導(dǎo)致錨桿和金屬網(wǎng)支護(hù)效果大打折扣。為了定量評(píng)價(jià)巷道圍巖變形和穩(wěn)定性狀況，通過(guò)離層監(jiān)測(cè)儀對(duì)覆巖的離層情況和變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而為分析巷道合理的布置方案提供重要的依據(jù)。

2 頂板離層監(jiān)測(cè)

在8230工作面進(jìn)風(fēng)順槽內(nèi)一共布置2個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置安裝1個(gè)離層監(jiān)測(cè)儀，對(duì)巷道頂板的變形量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行分析。

在I測(cè)站1號(hào)測(cè)點(diǎn)位置，在距工作面48m以外，深處覆巖未發(fā)生離層，當(dāng)距工作面48m之內(nèi)時(shí)，最大離層量也僅為1mm，說(shuō)明高層位頂板幾乎不受巷道掘進(jìn)和采場(chǎng)采動(dòng)的影響；淺處覆巖與深處覆巖的離層量之差最大為4 mm。在I測(cè)站2號(hào)測(cè)點(diǎn)位置，與工作面距離分別為72m、25m、16m、8m和2m時(shí)，深處淺處覆巖離層量分別為1mm、2mm、3mm、4mm和5mm；與工作面距離分別為20m和6m時(shí)，淺處覆巖離層量分別為1mm和2mm；淺處覆巖與深處覆巖的離層量之差最大為3mm?？傮w上，該位置巷道頂板離層量要比1號(hào)測(cè)點(diǎn)大。

在II測(cè)站1號(hào)測(cè)點(diǎn)位置，與工作面距離分別為36m、20m、12m和2m時(shí)，深處覆巖離層量分別為1mm、2mm、3mm和4mm，最大離層量為 5mm；與工作面距離為13m時(shí)，淺處覆巖離層量分別為1mm；淺處覆巖與深處覆巖的離層量之差最大為4mm。在II測(cè)站2號(hào)測(cè)點(diǎn)位置，與工作面距離分別為40m、30m、14m和5m時(shí)，深處淺處覆巖離層量分別為1mm、2mm、3mm和4mm，最大離層量為6mm；與工作面距離分別為27m和5m時(shí)，淺處覆巖離層量分別為1mm和2mm；淺處覆巖與深處覆巖的離層量之差最大為4mm。

原有的錨桿支護(hù)仍有一定的支護(hù)能力，但無(wú)法保證巷道覆巖長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。從4個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的覆巖離層量整體分析，深處覆巖在距離工作面40m以外的位置變形較大，說(shuō)明大范圍的深處覆巖受采場(chǎng)采動(dòng)影響較大，巷道頂板有垮落破壞的傾向。故在巷道掘進(jìn)過(guò)程中需要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，且支護(hù)結(jié)構(gòu)可對(duì)高層位巖層起到加固作用，而單一的錨桿支護(hù)無(wú)法滿(mǎn)足該要求，需要采用錨索錨桿共同支護(hù)的設(shè)計(jì)。同時(shí)離層指示儀監(jiān)測(cè)的深處覆巖距巷道表面垂高為5m，故設(shè)計(jì)的錨索長(zhǎng)度要超過(guò)5m。在距工作面20m以外淺處覆巖也存在一定的變形，故需要采用錨索+錨桿+錨網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)形式才可以最大程度地維持巷道圍巖穩(wěn)定性。

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

依據(jù)懸吊理論和免壓拱理論得到的錨索長(zhǎng)度計(jì)算公式見(jiàn)（1）所示。

式中：

l1-可能垮落的覆巖厚度，m；

l2-錨索外露長(zhǎng)度，m；

l3-錨索錨固長(zhǎng)度，m。

l1可根據(jù)公式（2）求得：

式中：

B-巷道斷面寬度以及巷幫片幫深度之和，m；

f-巷道覆巖平均普氏硬度，取0.49。

距巷道表面垂高為5m的位置覆巖離層量較大，為了使錨索將發(fā)生離層的覆巖錨固到穩(wěn)定巖層中，盡可能地提高覆巖穩(wěn)態(tài)，確定錨索錨固長(zhǎng)度為1.5m，外露長(zhǎng)度為0.2m，則根據(jù)公式（1）確定錨索長(zhǎng)度為6.7m。從利于巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)施工的角度出發(fā)，最終設(shè)計(jì)錨索長(zhǎng)度為6.8m。

4 巷道支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬

確定支護(hù)形式后，需要進(jìn)一步對(duì)支護(hù)參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化?；诖_定的錨索長(zhǎng)度，通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)不同支護(hù)體數(shù)量下的巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，最終可確定最優(yōu)的支護(hù)方案。建立模型走向長(zhǎng)度為65m，傾向長(zhǎng)度40m，模型高度選擇為85m，模型四側(cè)施加水平約束條件，底部施加水平和豎直雙向約束條件，上表面施加等效均布荷載，本構(gòu)模型選擇為庫(kù)倫摩爾準(zhǔn)則。擬開(kāi)挖巷道斷面寬度為5m，高度為3m。

（1）錨索數(shù)量

頂板布置不同數(shù)量錨索下的巷道圍巖塑性屈服特征顯示：當(dāng)布置錨索數(shù)量為1根時(shí)，巷道頂板破壞形式以剪切破壞為主，且兩邊破壞的范圍要大于中部，整體破壞圍巖呈馬鞍形分布，破壞范圍較大；當(dāng)錨索數(shù)量為2根時(shí)，巷道頂板破壞仍以剪切破壞為主，破壞范圍要明顯減小，說(shuō)明巷道覆巖變形失穩(wěn)得到了較好的控制；錨索數(shù)量為3時(shí)，覆巖破壞范圍與錨索數(shù)量為2時(shí)的破壞范圍相差較小，說(shuō)明錨索數(shù)量為2時(shí)就已經(jīng)可以較好地維持覆巖穩(wěn)定性。

（2）錨桿數(shù)量

頂板布置不同數(shù)量錨桿下的巷道圍巖塑性屈服特征顯示：當(dāng)布置錨桿數(shù)量為4根時(shí)，巷道頂板破壞范圍較大；當(dāng)錨桿數(shù)量為5根時(shí)，巷道頂板破壞范圍要明顯減小，說(shuō)明巷道覆巖變形失穩(wěn)得到了較好的控制；錨桿數(shù)量為6時(shí)的覆巖破壞范圍與錨桿數(shù)量為5時(shí)的破壞范圍相差較小，說(shuō)明當(dāng)錨桿數(shù)量在5以上時(shí)，錨桿控制巷道覆巖穩(wěn)定的效果趨于一致，錨桿數(shù)量為5時(shí)就已經(jīng)可以較好地維持覆巖穩(wěn)定性。

當(dāng)頂錨索數(shù)量為2，頂錨桿數(shù)量為5時(shí)，巷道頂板的穩(wěn)定性就可以得到較好的控制。優(yōu)化后的巷道頂板支護(hù)方案為：錨桿索、金屬網(wǎng)加鋼帶聯(lián)合支護(hù)形式；錨桿為5根A3圓鋼加工而來(lái)的金屬樹(shù)脂錨桿，長(zhǎng)度為2200mm，支護(hù)間距和排距均設(shè)定為1000mm，靠近巷幫的錨桿打設(shè)在距巷幫300mm的位置；錨索布置2排，與兩幫距離均為1500mm，長(zhǎng)度為6800mm，支護(hù)排距為2000mm，間距為2200mm。如圖1所示。

圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面支護(hù)圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在巷道原有的支護(hù)形式下，無(wú)法保證巷道覆巖長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。離層監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)的深處覆巖距巷道表面垂高為5m，距工作面20m以外淺處覆巖存在一定的變形。

（2）優(yōu)化后的巷道頂板支護(hù)方案為：頂板錨桿為5根A3圓鋼金屬樹(shù)脂錨桿，長(zhǎng)度為2200mm，支護(hù)間距和排距均設(shè)定為1000mm；錨索布置2排，與兩幫距離均為1500mm，長(zhǎng)度為6800mm，支護(hù)排距為2000mm，間距為2200mm。