干河煤礦松軟破碎半煤巖巷支護(hù)技術(shù)優(yōu)化研究

張會林

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

山西霍寶干河煤礦三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷作為三采區(qū)準(zhǔn)備巷道位于+80m 水平西翼，與+80m 水平西翼三條大巷垂直布置，北東為西翼三條開拓大巷，西南側(cè)為變電所。三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷布置在1#煤中，煤層結(jié)構(gòu)相對簡單，1#煤層厚度0.4～1.15m，平均厚度0.78m，煤層傾角2°～8°，平均傾角5°?；卷敒榧?xì)砂巖，平均厚度3.12m；直接頂為中砂巖，平均厚度4.96m；直接底為泥巖，平均厚度4.6m，深灰色；基本底為K7 中粒砂巖，厚度3.0～4.27m，平均厚度3.63m。三采區(qū)的三條大巷掘進(jìn)初期，巷道表面位移較大，需進(jìn)行支護(hù)方案優(yōu)化。三采區(qū)準(zhǔn)備巷道布置示意圖如圖1 所示。

圖 1 三采區(qū)準(zhǔn)備巷道布置示意圖

2 原有支護(hù)體系及巷道變形特征

2.1 原支護(hù)方案

三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷沿1#煤層底板掘進(jìn)，采用半圓拱形斷面，掘進(jìn)斷面尺寸為4.8（寬）m×3.6（高）m，原有支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴支護(hù)。頂板和兩幫錨桿為Φ18×2000mm 左旋高強(qiáng)度螺紋鋼，錨桿配套托盤采用長寬120mm、厚度10mm 的碟形鋼制托盤，采用樹脂錨固劑加長錨固，每根錨桿采用K2455、Z2455 型號樹脂藥卷各一支，錨桿間排距為900×900mm，靠近最下部的錨桿距離底板300mm，巷道表面護(hù)表金屬網(wǎng)由直徑10mm 的圓鋼焊接，錨網(wǎng)支護(hù)完成后，在巷道表面噴射100mm的C20 混凝土。

2.2 礦壓顯現(xiàn)特征

三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷采用上述支護(hù)方案掘進(jìn)初期，采用十字交叉法對巷道表面的位移情況進(jìn)行監(jiān)測[1]，測點(diǎn)布置在距開口20m 處。為期20d 的監(jiān)測整理得到圖2 所示的結(jié)果。由圖2 可以看出，三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷在掘出后，巷道表面的位移隨著成巷時(shí)間的延長不斷的增大。成巷后10d 內(nèi)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷南鄬σ平俣染_(dá)到了11mm/d；成巷10d 以后圍巖的變形速度有所降低，但是仍維持在7mm/d 左右；成巷20d 后頂?shù)装逑鄬σ平窟_(dá)到143mm，兩幫移近量達(dá)到118mm。巷道圍巖變形速度較快，且持續(xù)變形，表明支護(hù)能力不足，巷道的安全狀況欠佳，且三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷服務(wù)期間較長，因此必須采取適當(dāng)?shù)闹卫泶胧?/p>

圖 2 礦壓監(jiān)測結(jié)果

3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

為更加合理地確定三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷的支護(hù)參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場詳細(xì)的地質(zhì)狀況，采用UDEC 軟件建立數(shù)值模擬模型[2-3]。整個(gè)模型將沿巷道寬度方向取一個(gè)截面，模型尺寸寬×高=100×60m，模型下部邊界垂直方向位移設(shè)定為0，左右邊界水平位移固定為0，上部邊界施加12.5MPa 的邊界載荷，巷道圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾－庫侖模型。模型示意圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)值模型示意圖

采用上述模型對三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。為提高巷道圍巖的支護(hù)強(qiáng)度，主要對錨桿、錨索、底板的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。錨桿錨索采用cable 單元進(jìn)行模擬[4]，巷道表面噴射混凝土，鋼筋梯子梁用structure 單元模擬，分別建立不同支護(hù)方式條件的數(shù)值模型。巷道開挖計(jì)算平衡后對巷道圍巖的塑性區(qū)發(fā)育及圍巖位移量進(jìn)行對比分析，從而得到最為合理的支護(hù)參數(shù)。由于篇幅所限，以錨桿直徑為例進(jìn)行模擬結(jié)果分析。目前巷道支護(hù)常用的錨桿支架為18 ～24mm，模擬過程中，錨桿長度為2000mm，間排距為800×800mm，錨桿直徑分別為18mm、20mm、22mm、24mm，不同錨桿直徑條件下圍巖的塑性區(qū)分布情況如圖4 所示。其中“*”為正在塑性破壞的單元，“×”代表已發(fā)生塑性破壞的單元，空白的代表完整的煤巖體。統(tǒng)計(jì)巷道各個(gè)方向圍巖的破壞深度和各處的位移，得到表1 所示的結(jié)果。

由圖4 所示的模擬結(jié)果及表1 所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，頂板錨桿直徑變化時(shí)，頂板巖層塑性破壞深度不變，幫部和底板圍巖塑性破壞深度發(fā)生變化，說明錨桿對頂板支護(hù)效果良好。錨桿直徑由18mm增至20mm，幫部和底板塑性破壞深度的減小最為明顯。錨桿直徑發(fā)生變化時(shí)，巷道圍巖的位移量均出現(xiàn)不同程度的變化。錨桿直徑由18mm 增至20mm，巷道表面位移量減小最為明顯。錨桿直徑增大至20mm 以上，各項(xiàng)指標(biāo)的減小趨勢均變緩。且總體而言，巷道頂板和兩幫的位移維持在較低的水平，底板底鼓量較為突出，因此設(shè)計(jì)頂板錨桿直徑為20mm。錨桿支護(hù)具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，需要對底板采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?/p>

圖 4 巷道圍巖塑性區(qū)分布示意圖

表1 數(shù)值模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 半煤巖巷聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

結(jié)合數(shù)值模擬研究的結(jié)果，最終設(shè)計(jì)三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷采用錨網(wǎng)索噴+反底拱聯(lián)合支護(hù)，參數(shù)如下：頂板和兩幫錨桿為Φ20×2000mm 左旋高強(qiáng)度螺紋鋼，采用樹脂錨固劑錨固，每根錨桿采用K2455、Z2455 型號樹脂藥卷各一支，錨桿間排距為800×800mm，靠近最下部的錨桿距離底板400mm。頂板錨索采用直徑15.24mm、長度7000mm 的鋼絞線，每根錨索采用一支K2455、兩支Z2455 型樹脂藥卷，間排距為1600×1600mm，每排兩根，沿巷道中線對稱布置，安裝時(shí)預(yù)緊力不小于100kN，托盤采用300×300×10mm 碟形鋼托盤。巷道表面護(hù)表金屬網(wǎng)由直徑10mm 的圓鋼焊接，錨網(wǎng)支護(hù)完成后，在巷道表面噴射100mm 的C20混凝土。底板采用混凝土反底拱支護(hù)，先進(jìn)行臥底，巷道中部臥底深度不小于800mm，兩幫臥底深度不小于500mm，然后預(yù)埋底板曲梁和鋪金屬網(wǎng)，之后澆筑混凝土并鋪碎石子。三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷最終支護(hù)斷面如圖5 所示。

圖 5 多層次錨桿支護(hù)體系示意圖

5 應(yīng)用效果分析

三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷圍巖條件良好，為防止巷道支護(hù)和掘進(jìn)施工相互干擾，并給予圍巖適度的變形空間，設(shè)計(jì)巷道支護(hù)滯后掘進(jìn)工作面一段時(shí)間和距離。巷道掘進(jìn)速率約為5m/d，故設(shè)計(jì)巷道施工順序?yàn)椋合锏谰虺鰞商旌箝_始安裝頂板和幫部的錨桿，錨桿支護(hù)2～3d 后開始安裝錨索和噴漿，巷道成型10～20d 后根據(jù)圍巖的變形情況對局部進(jìn)行臥底和施工反底拱結(jié)構(gòu)。

掘進(jìn)施工過程中，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行巷道表面位移監(jiān)測，測點(diǎn)距離掘進(jìn)頭后方5m 處，整理得到圖6 所示的結(jié)果。由圖可知，巷道成巷后，隨著成巷時(shí)間的增大，巷道表面的位移量逐漸增大，但是圍巖的變形速度逐漸減小。成巷約20d 后，巷道表面的位移量基本不再增大，巷道圍巖趨于穩(wěn)定。為期一個(gè)月的監(jiān)測期間，頂?shù)装謇塾?jì)移近量為68mm，兩幫累計(jì)移近量為61mm，巷道變形量很小，說明圍巖變形得到了有效的控制。

圖 6 巷道圍巖變形量監(jiān)測結(jié)果