深井構(gòu)造異常區(qū)小煤柱巷道支護(hù)優(yōu)化研究

張 斌 王 沖 賈海賓

（山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918）

在我國(guó)東部礦區(qū)，煤礦開(kāi)采深度逐漸增加，生產(chǎn)條件日益復(fù)雜[1]。為滿(mǎn)足回采工作面生產(chǎn)需要，回采巷道需穿過(guò)斷層、褶皺、節(jié)理等構(gòu)造異常區(qū)，加之巷道小煤柱掘進(jìn)，應(yīng)力分布復(fù)雜，圍巖自穩(wěn)能力差，造成巷道易變形、支護(hù)困難、后期開(kāi)幫臥底工作量大等問(wèn)題[2-3]，大大增加了礦井開(kāi)采難度，影響礦井正常生產(chǎn)，降低了礦井的效率和效益，同時(shí)礦井安全生產(chǎn)受到威脅[4]。因此開(kāi)展深井異常區(qū)小煤柱巷道支護(hù)優(yōu)化的研究，具有較大的理論及工程價(jià)值。

1 概況

山東能源新礦集團(tuán)新巨龍公司開(kāi)采水平現(xiàn)已延深至-980m，地面標(biāo)高為+43.6m，最大開(kāi)采深度已超千米，具有埋深大、表土層厚、斷層構(gòu)造發(fā)育等特點(diǎn)?；夭上锏朗軘鄬訕?gòu)造應(yīng)力影響較大，巷道斷面大，回采動(dòng)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。

2305S 工作面位于二采區(qū)，東接2306S 工作面，南臨畢垓南斷層，西為2304S 面采空區(qū)，北臨二采準(zhǔn)備、開(kāi)拓巷道。新巨龍礦主采3#煤層，厚9m 左右，平均埋深-985m，傾角在0～11°之間，3#煤f（堅(jiān)固性系數(shù)）=1～2。直接底為均厚10.25m 的砂質(zhì)泥巖，f=3～5；直接頂為均厚14.25m 的粉砂巖，f=5～6。礦井采用小煤柱護(hù)巷施工工藝，2305S 工作面沿空側(cè)煤柱設(shè)計(jì)寬度為4.5m。由于巷道受側(cè)向壓力、掘進(jìn)擾動(dòng)、斷層構(gòu)造產(chǎn)生的應(yīng)力，頂板及小煤柱側(cè)圍巖破碎，巷道支護(hù)難度加大。

2 原支護(hù)方案及效果分析

2.1 原支護(hù)方案

（1）頂板支護(hù)

錨桿為無(wú)縱肋螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿，型號(hào)為MSGLW600， 在 頂 板 打 設(shè)6 根， 配 合 眼 距900mm 的6 眼W 鋼帶。錨桿規(guī)格：Φ25mm，長(zhǎng)2500mm，間排距900×1000mm。桿錨錨固力應(yīng)大于150kN。

錨索采用6300～10300mm 的高預(yù)應(yīng)力鋼絞線，Φ21.8mm，錨固方式為加長(zhǎng)錨，頂板每排4 根，間排距1200×2000mm。錨索預(yù)緊力不小于200kN。

（2）幫部支護(hù)

幫部錨桿規(guī)格、材質(zhì)與頂板一致，Φ25mm，長(zhǎng)度2500m，幫部設(shè)置5 根，上部配3 眼T 型鋼帶，下部配2 眼T 型鋼帶，錨桿間排距為900×1000mm。

錨索材質(zhì)為高預(yù)應(yīng)力鋼絞線，Φ21.8mm，幫部每排設(shè)3 根，間距1300/1600mm，排距2000mm。實(shí)體幫上部及中間眼位錨索長(zhǎng)度8300mm，下部眼位錨索長(zhǎng)度4300mm；小煤柱幫上部眼位錨索長(zhǎng)度8300mm，中間及下部眼位錨索長(zhǎng)度4300mm。

原方案支護(hù)如圖1 所示。

圖1 原方案頂板及兩幫支護(hù)剖面圖

2.2 原方案支護(hù)效果分析

原支護(hù)方案采用工程類(lèi)比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，參照2303S 工作面及2304S 工作面小煤柱支護(hù)方案。由于二采區(qū)開(kāi)采深度逐漸增加，在開(kāi)采2304S 工作面時(shí)，2304S 上平巷礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，最大變形超1m，在開(kāi)采期間，對(duì)上巷頂板及兩幫重新補(bǔ)打錨索梁加強(qiáng)支護(hù)方才滿(mǎn)足回采需要。2305S 上平巷采用原方案施工，30d 后小煤柱側(cè)頂板變形達(dá)201mm，且仍有變大趨勢(shì)。頂板及實(shí)體幫側(cè)多根錨桿、錨索斷裂，且有輕微震頂現(xiàn)象。因此需對(duì)2305S 上平巷進(jìn)行優(yōu)化支護(hù)，確保掘進(jìn)及回采期間巷道圍巖穩(wěn)定。

3 支護(hù)方案優(yōu)化及效果分析

3.1 優(yōu)化支護(hù)方案

針對(duì)2305S 回采工作面工程地質(zhì)條件及變形破壞特征，提出一種聯(lián)合支護(hù)方案，即“頂板全錨索支護(hù)+U 型錨索梁加強(qiáng)支護(hù)+注漿加固”的支護(hù)優(yōu)化方案。支護(hù)如圖2 所示。

（1）頂板支護(hù)

在原方案的支護(hù)基礎(chǔ)上，將頂板錨桿更改為長(zhǎng)度3800mm 的中空注漿錨索，錨索型號(hào)SKZ22-1/1770，間排距為900×1000mm；將頂板錨索更改為4200mm U 型錨索梁，間距為2000mm（U29 型錨索梁，一梁三索，眼距1800mm），U 型錨索梁所用注漿錨索長(zhǎng)度為6300 ～10300mm。

（2）幫部支護(hù)

在原方案的支護(hù)基礎(chǔ)上，將幫部中間眼位錨桿更改為長(zhǎng)度3800mm 的中空注漿錨索，錨索型號(hào)SKZ22-1/1770，幫部鋼帶更改為2 片3 眼T 型鋼帶，形成幫部封閉支護(hù)；將幫部錨索更改為長(zhǎng)度2600mm U 型錨索梁（U29 型錨索梁，一梁二索，眼距2000mm），實(shí)體幫U 型錨索梁所用注漿錨索長(zhǎng)度為8300mm，小煤柱側(cè)U 型錨索梁所用注漿錨索長(zhǎng)度為上部8300mm、下部3800mm。

圖2 優(yōu)化方案頂板及兩幫支護(hù)剖面圖

3.2 數(shù)值模擬分析

（1）建立計(jì)算模型

為對(duì)比分析支護(hù)優(yōu)化前后巷道圍巖變形及受力特征，運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行模擬研究，建立長(zhǎng)×寬×高=120m×100m×80m 的模型。模型的約束為：底部采用固定約束，兩側(cè)面采用水平約束。彈塑性極限為Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則[5]。根據(jù)新巨龍礦井實(shí)測(cè)地應(yīng)力情況，模型垂直應(yīng)力取值為20MPa。建立模型如圖3 所示，巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

圖3 計(jì)算模型

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)表

（2）模擬結(jié)果分析

圖4 不同方案最大主應(yīng)力和豎向位移分布云圖

由圖4（a）最大主應(yīng)力分布圖對(duì)比分析，兩方案最大主應(yīng)力均分布在巷道實(shí)體幫，且優(yōu)化方案最大主應(yīng)力小于原方案最大主應(yīng)力，優(yōu)化方案最大主應(yīng)力左幫向圍巖深部發(fā)展。說(shuō)明優(yōu)化方案可優(yōu)化巷道圍巖的應(yīng)力分布，圍巖應(yīng)力向穩(wěn)定性更好的深部傳遞，充分調(diào)動(dòng)了深部圍巖的承載力保證巷道穩(wěn)定。由圖4（b）兩方案的豎向位移圖可知，巷道最大豎向位移位于巷道頂板，但不沿巷中對(duì)稱(chēng)分布，而是靠近采空區(qū)一側(cè)稍大些，優(yōu)化方案最大豎向位移為78.3mm，原方案豎向位移為235mm?？傻贸鲂路桨缚杉訌?qiáng)巷道整體圍巖強(qiáng)度，尤其對(duì)小煤柱側(cè)圍巖有較好的加固作用，有利于控制巷道圍巖變形。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

對(duì)小煤柱巷道2305S 上平巷進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)分析，2305S 上平巷頂?shù)装遄畲笪灰?8mm，兩幫最大位移126mm。當(dāng)監(jiān)測(cè)位置距離迎頭超過(guò)60m后，監(jiān)測(cè)位置巷道變形趨于穩(wěn)定。與原方案對(duì)比，巷道頂?shù)装逦灰茰p小了103mm，兩幫位移減小了124mm，支護(hù)效果較好，極大地減少了工作面開(kāi)采前的開(kāi)幫、臥底工作量。

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出“頂板全錨索支護(hù)+U 型錨索梁加強(qiáng)支護(hù)+注漿加固”的支護(hù)優(yōu)化方案可顯著降低巷道的變形量，尤其是巷道小煤柱側(cè)的變形量，極大降低回采期間巷道的安全隱患，對(duì)工作面生產(chǎn)、礦井接續(xù)安排等均產(chǎn)生較為有益的效果。