龐龐塔礦北翼回風(fēng)大巷圍巖失穩(wěn)破壞原因及支護(hù)技術(shù)研究

韓少林

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)龐龐塔煤礦位于山西省臨縣程家塔—吉家莊—陽泉村一帶，井田平面形態(tài)基本呈一長方形，南北長約9km，東西寬約1.5km，面積13.2639km2。井田內(nèi)含煤地層為太原組和山西組，主要可采煤層為 5上 #、5#、9#煤層。龐龐塔煤礦2017～2021年開采9號煤層，9#煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，平均煤層厚度11.8m，煤層內(nèi)部含有一到兩層夾矸；9-101綜放工作面采用一次采全高綜采放頂煤走向長壁采煤法。9-101工作面機(jī)采高為3.2m，割煤步距0.8m。9#煤層總厚度11.8m，采煤機(jī)割煤高度3.2m，放煤厚度8.6m，采用單輪順序放煤步距0.8m，采放比1：2.69。9-101工作面西側(cè)為礦井北翼的三條大巷，北部為采區(qū)邊界，東側(cè)為9-103工作面（未掘），南側(cè)為一采區(qū)的三條上山。9-101工作面對應(yīng)地表范圍內(nèi)北部為我礦煤場及保安煤柱，中部為104省道連接的龐龐塔溝內(nèi)公路、龐龐塔溝內(nèi)季節(jié)性河流。9-101推進(jìn)方向和北翼回風(fēng)大巷斜交，隨著工作面的不斷推進(jìn)，北翼回風(fēng)大巷和9-101工作面間的煤柱寬度逐漸減小，北翼回風(fēng)大巷在9-101工作面回采期間圍巖出現(xiàn)了明顯的失穩(wěn)破壞，為控制北翼回風(fēng)大巷圍巖的進(jìn)一步破壞展開研究。

2 北翼回風(fēng)大巷原有支護(hù)方案

龐龐塔礦9#煤層北翼回風(fēng)大巷為矩形斷面，斷面尺寸寬×高=5.6×4.2m，沿9#煤層泥巖底板掘進(jìn)，巷道圍巖為松軟破碎的煤體。北翼回風(fēng)大巷原有支護(hù)方式為錨桿＋錨索+鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。頂板錨桿采用φ22×2200mm的左旋螺紋鋼高強(qiáng)度錨桿，錨桿間排距均為800mm，每排共七根錨桿，沿巷道中心線對稱布置，托盤采用規(guī)格為150×150×8mm的蝶形托盤，錨桿間通過七孔平鋼帶連接，鋼帶寬度為100mm，長度為5000mm，所有錨桿均垂直頂板安裝，錨固劑采K2335和Z2360樹脂藥卷各一支，頂板金屬網(wǎng)采用由直徑為6.5mm鐵絲制成的網(wǎng)孔為150×150mm的菱形網(wǎng)。頂板錨索為Φ17.8×7300mm的1860鋼絞線，錨固劑為兩支K2335和一支Z2360樹脂藥卷錨固劑，預(yù)緊力不小于100kN，沿巷道中心線對稱布置，每排五根，中心線處一根，靠近中心線兩側(cè)的兩根間距為1600mm，肩角處的間距為1200mm，排距為1600mm，兩側(cè)肩角處的錨索向外側(cè)傾斜15°安裝。兩幫支護(hù)采用錨桿的規(guī)格與頂板錨桿相同，每側(cè)布置六根，靠近底角的錨桿安裝時(shí)俯角為15°，其余錨桿垂直煤壁安裝，兩幫的金屬網(wǎng)和鋼帶型號與頂板相同，鋼帶的長度為4000mm；支護(hù)完成后在北翼回風(fēng)大巷圍巖表面噴射厚度為100mm的C20水泥混凝土，北翼回風(fēng)大巷支護(hù)詳情如圖1所示。

圖1 北翼回風(fēng)大巷原有支護(hù)方案

3 北翼回風(fēng)大巷變形機(jī)理

根據(jù)龐龐塔礦北翼回風(fēng)大巷面臨的特殊地質(zhì)條件，9-101工作面劇烈的采動(dòng)影響對北翼回風(fēng)大巷圍巖的穩(wěn)定性影響很大，為考察不同煤柱寬度條件下，9-101工作面回采對于北翼回風(fēng)大巷穩(wěn)定性的影響，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立圖2（a）所示三維數(shù)值模型[1～2]，模型長度為 230m，寬度 200m，高度70m，9#煤層平均埋深為650m，模型上部施加16.25MPa的均布載荷，模擬北翼回風(fēng)大巷的尺寸寬×高=5.6×4.2m，模型邊界條件：底板邊界為固定邊界，左右邊界X方向位移受到約束，前后邊界Y方向的位移受到約束，模型頂面為自由邊界，模型的邊界條件如圖2（b）所示。9-101工作面與北翼回風(fēng)大巷煤柱寬度分別為20～80m，每10m為一個(gè)梯度。

圖2 模型示意圖

對不同煤柱寬度條件下9-101工作面回采后，北翼回風(fēng)大巷圍巖的受力的位移情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)模擬結(jié)果，北翼回風(fēng)大巷左幫煤巖體受力受到工作面的采動(dòng)影響最為明顯，由于篇幅所限，僅將北翼回風(fēng)大巷煤巖體內(nèi)應(yīng)力的變化規(guī)律給出。由圖3所示的結(jié)果可以知，煤柱寬度為20m～40m時(shí)，北翼回風(fēng)大巷左幫煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力呈單峰分布，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力最大可達(dá)31.5MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.80左右，此時(shí)工作面回采對煤柱內(nèi)應(yīng)力有很大影響；煤柱寬度為50m、60m時(shí)，煤柱內(nèi)呈現(xiàn)增大—平穩(wěn)—增大的趨勢，距離巷道較近的煤柱內(nèi)應(yīng)力基本不受工作面回采的影響，但是遠(yuǎn)處煤柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)為1.6左右，此時(shí)工作面回采對巷道圍巖穩(wěn)定性存在一定影響；煤柱寬度為80m時(shí)，巷道左幫煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力先增大后平穩(wěn)，應(yīng)力集中系數(shù)為1.05，說明此時(shí)工作面回采對巷道的穩(wěn)定性基本沒有影響。根據(jù)以上分析可知，9-101工作面與北翼回風(fēng)大巷間煤柱的寬度對于巷道圍巖的穩(wěn)定性影響較大，當(dāng)煤柱寬度小于50m時(shí)，巷道受到采動(dòng)影響較大，煤柱寬度大于80m時(shí)，北翼回風(fēng)大巷圍巖基本不再受9-101工作面采動(dòng)的影響。

圖3 左幫煤巖體內(nèi)垂直應(yīng)力變化規(guī)律

4 北翼回風(fēng)大巷圍巖失穩(wěn)治理措施及效果

4.1 保護(hù)煤柱寬度調(diào)整

根據(jù)前文的模擬結(jié)果可知，9-101工作面與北翼回風(fēng)大巷間煤柱寬度的大小對巷道圍巖穩(wěn)定性影響很大，并且隨著9-101工作面繼續(xù)推進(jìn)，煤柱的寬度會(huì)越來越小，北翼回風(fēng)大巷圍巖的變形會(huì)更加劇烈，為了維護(hù)該巷道在服務(wù)期間的安全使用，設(shè)計(jì)調(diào)整保護(hù)煤柱的寬度，原有設(shè)計(jì)的保護(hù)煤柱在9-101工作面停采線處僅有25m，該煤柱寬度條件下，北翼回風(fēng)大巷的圍巖破壞會(huì)很嚴(yán)重，因此為了增加保護(hù)煤柱的寬度，從9-101回風(fēng)巷的C19點(diǎn)開始，將9-101回風(fēng)巷向內(nèi)側(cè)偏移50m，措施巷也同時(shí)向內(nèi)偏移50m，保證北翼回風(fēng)大巷與9-101工作面間煤柱寬度在80m左右。9-101工作面回采巷道具體的偏移情況如圖4所示。

圖4 北翼回風(fēng)大巷保護(hù)煤柱寬度調(diào)整示意圖

4.2 北翼回風(fēng)大巷加固

北翼回風(fēng)大巷圍巖位移嚴(yán)重的巷段和對應(yīng)9-101工作面前方的巷段均需要修護(hù)和加固，根據(jù)其圍巖失穩(wěn)破壞的情況可知，北翼回風(fēng)大巷失穩(wěn)破壞主要表現(xiàn)為兩幫內(nèi)擠嚴(yán)重，因此需對兩幫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)[3～4]。兩幫原有支護(hù)為長度為2200mm的錨桿，支護(hù)效果很不理想，因此補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的錨桿長度增加為2600mm，并且巷道兩幫為松軟破碎的煤體，采用錨索支護(hù)預(yù)計(jì)會(huì)取得更好的圍巖控制效果，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的斷面如圖5（a）所示，由于錨桿錨索布置太過復(fù)雜，僅將補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的錨桿錨索給出，每排布置錨桿錨索共五根，交替布置，間排距均為800mm，錨索采用Ф17.8×5500mm的鋼絞線，錨桿采用 Ф22×2600mm的螺紋鋼，錨桿錨索通過規(guī)格為3400×180×5mm的W型鋼帶橫向連接，靠近頂?shù)装宓腻^桿（索）安裝時(shí)仰角、俯角均為15°，北翼回風(fēng)大巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的詳情如圖5所示。

4.3 北翼回風(fēng)大巷圍巖控制效果

調(diào)整北翼回風(fēng)大巷煤柱寬度和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，對其巷道圍巖的圍巖情況進(jìn)行監(jiān)測，得到圖6所示的結(jié)果，北翼回風(fēng)大巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)完成后，頂?shù)装逡平考s為10mm，兩幫移近量為25mm，9-101工作面采動(dòng)影響下，兩幫移近增大至30mm，頂?shù)装逡平吭鲋?3mm，總體而言，，巷道位移變形很小，圍巖穩(wěn)定性很好，能夠滿足其安全正常使用的需求。

圖5 北翼回風(fēng)大巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

圖6 北翼回風(fēng)大巷圍巖位移變化特征

5 結(jié) 論

龐龐塔礦9-101工作面回采期間，其西側(cè)的北翼回風(fēng)大巷圍巖出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象，通過數(shù)值模擬、理論分析得知，北翼回風(fēng)大巷圍巖主要變形形式為兩幫內(nèi)擠，9-101工作面采動(dòng)對巷道圍巖穩(wěn)定性影響較大，保護(hù)煤柱的寬度大于80m時(shí)北翼回風(fēng)大巷基本不再受采動(dòng)的影響，因此設(shè)計(jì)將9-101工作面的回風(fēng)巷和措施巷內(nèi)移50m，并采用錨桿錨索對北翼回風(fēng)大巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，應(yīng)用過程中進(jìn)行圍巖位移監(jiān)測，北翼回風(fēng)大巷受到9-101工作面采動(dòng)的影響明顯變小，兩幫移近最大為30mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?3mm，能夠滿足其安全正常使用的斷面需求，取得了良好的應(yīng)用效果。