新元煤業(yè)3417 工作面進風巷支護技術(shù)研究

鄭 少 偉

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 030600）

1 工程背景

新元礦3417 工作面主采3# 煤層，煤層厚度為2.1m～2.55m，均厚為 2.35m，平均傾角為6°，工作面區(qū)域煤層偽頂為泥巖，均厚為0.2m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚8.94m，基本頂為粉砂巖，均厚為2.4m，直接底為泥質(zhì)砂巖，均厚為2.95m，基本底為細砂巖，均厚為1.6m。3417 工作面進風巷全長1671m，巷道為矩形斷面，沿頂掘進，掘進寬度為5.2m，高為3.0m，斷面積為15.6m2。工作面一側(cè)為未開采的3303 工作面，一側(cè)為已采空的3306 工作面采空區(qū)，如圖1 所示。受上一工作面回采后采空側(cè)側(cè)向支承壓力影響，現(xiàn)進風巷采用現(xiàn)有支護方案難以滿足實際要求[1-2]，根據(jù)現(xiàn)場測量的結(jié)果，得到巷道頂板下沉量在200～300mm，兩幫移進量為400～500mm，變形量較大難以滿足安全生產(chǎn)要求。

2 3417 進風巷支護方案數(shù)值模擬分析

2.1 支護影響因素分析

巷道的支護效果受多方面因素共同影響，其中包括錨桿的長度、錨桿的間排距、以及錨固方式等[3-4]。

圖1 工作面布置示意

錨桿長度影響支護的作用范圍，與施加在錨桿上的預(yù)應(yīng)力大小成正比，和施加預(yù)應(yīng)力的形成的壓應(yīng)力區(qū)范圍成反比。與頂板巖層條件相適應(yīng)的錨桿長度，同時增加錨桿預(yù)應(yīng)力后可取得最佳支護效果，通過實踐對比，當長度為 1.6m、2.4m、2.6m 時，巷道變形量大，支護效果不佳，綜合考慮錨桿長度為2.0m 時是最佳支護長度。

錨桿的間排距影響壓應(yīng)力區(qū)的范圍大小，當距離合適時可以支護作用疊加，大大改善支護效果，但過密的錨桿也會增加支護成本。綜合目前新元煤業(yè)3417 進風巷的現(xiàn)狀，間排距選為1m 較為合適。

錨桿錨固方式有端部錨固、全長錨固和加長錨固3 種，根據(jù)錨固后形成的預(yù)應(yīng)力場的形狀大小，錨固效果最佳的方式為加長錨固，同時通過預(yù)應(yīng)力改善分布效果達到最佳的支護目的。

2.2 數(shù)值模擬方案

模擬采用FLAC3D 軟件，建立長為150m，寬為100m，高為29m 模型，模型中巷道寬為5m、高為3m、 兩巷間的煤柱寬度為 20m， 模擬服從Mohr- Coulomb 準則，上覆載荷施加11.75MPa，模型從上往下分別為中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、3 號煤、泥巖和砂質(zhì)泥巖，圍巖物理力學參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值模擬圖

表1 圍巖物理力學參數(shù)

初步擬定五套支護方案，支護參數(shù)見如表2。支護方案錨桿選用500 號左旋無縱筋螺紋鋼筋，錨索選用鋼絞線。

表2 數(shù)值模擬支護方案參數(shù)

2.3 支護方案數(shù)值模擬分析

通過改變支護參數(shù)，模擬不同支護情況下的支護效果。在FLAC3D 中使用結(jié)構(gòu)單元Cables 代替錨索和錨桿，并將其施加在巷道的頂板和兩幫，然后對結(jié)構(gòu)單元進行賦值，模擬錨索和錨桿的尺寸以及預(yù)應(yīng)力等，分析圍巖變形量的變化，以求達到最佳的支護效果，以方案三支護參數(shù)為例，見圖3。

圖3 支護方案模擬

在軟件中設(shè)置監(jiān)測點，分別對巷道頂?shù)装搴蛢蓭瓦M行變形量監(jiān)測，其監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3。

表3 圍巖變形監(jiān)測

為便于觀察不同支護方案的變形量效果，根據(jù)表3 圍巖變形監(jiān)測繪制變形柱狀圖，見圖4。

圖4 巷道圍巖變形柱狀

隨著錨桿錨索間排距的增加，巷道兩幫和頂?shù)装宓奈灰屏恳苍谥鸩皆黾?。當錨桿間排距由700mm增加到 900mm， 錨索間排距由 1400mm 增加到1800mm 時，巷道圍巖的變形量變化不明顯；當錨桿間排距由900mm 增加到1200mm，錨索間排距由1800mm 增加到2200mm 時，巷道圍巖的變形量變化突出顯著。從圖4 中可以看出，方案一、二、三圍巖變形量處于較小的區(qū)間，錨桿、錨索密度由方案二變?yōu)榉桨溉臅r候，兩幫變形量增大了16%，但由方案三變?yōu)榉桨杆牡臅r候，兩幫變形量增大了52%。由此可知，方案三屬于較為合理的支護參數(shù)。

3 3417 進風巷支護方案優(yōu)化

3.1 支護參數(shù)

3417 進風巷頂板錨桿鋼號為500 號，規(guī)格為Φ20mm×2.0m 的左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，間排距900mm×1000mm。。錨固方式為雙速樹脂加長錨固，所選用得錨固劑為MSCK2330 和MSZ2350 的組合型，有效錨固長度為1240mm。

錨桿端部使用M22 高強螺母、拱型高強托板調(diào)心球墊及尼龍墊圈，托盤規(guī)格150mm×150mm×10mm，承載力不低于210kN，采用W 型鋼帶，規(guī)格280mm×4mm×4800mm。

巷道表面鋪設(shè)材料為10# 鐵絲網(wǎng)片，規(guī)格為5600mm×1100mm，網(wǎng)孔規(guī)格30mm×30mm，搭接100mm。

3.2 幫部支護參數(shù)

巷幫所選用的錨桿型號與頂板索用型號相同，鋼號為500 號，規(guī)格為Φ20mm×2.0m 的左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，錨固方式為樹脂加長的錨固，所使用的錨固劑為MSZ2360。錨桿端部使用M22 高強螺母、拱型高強托板調(diào)心球墊及尼龍墊圈，托盤使用承載力不低于210kN、尺寸不小于150×150×10mm 的規(guī)格，鋼帶采用W 型鋼帶，尺寸選用280mm×4mm×4800mm。

巷道表面鋪設(shè)材料為10# 鐵絲，網(wǎng)孔規(guī)格采用30×30mm 的型號，網(wǎng)片為 3000×1100mm 的大小，在搭接時用16# 鉛絲控制100mm 的網(wǎng)片間距。施工時錨桿垂直幫部打入，每排打3 根，間排距為1000mm×1000mm。錨索按照二二間隔式布置，幫錨索和底板距離為600mm，間距1400mm。

圖5 3417 工作面進風巷錨桿錨索支護布置

3.3 礦壓觀測

3417 進風巷掘進300m 后，采用新的支護方案繼續(xù)掘進300m，在巷道100m、400m 位置設(shè)置2 個監(jiān)測站，對原支護形式和改進支護后的巷道圍巖變形情況進行觀測，測站1 和2 的數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖6 所示。

圖6 圍巖變形曲線

從圖6 可以看出，3417 工作面施工期間，2 個測站的巷道圍巖變形速率均由快至慢，最終趨于穩(wěn)定，其中距掘進工作面120m 左右時圍巖變形量開始趨于穩(wěn)定。從兩幫和頂板移進量來看，在原支護條件下兩幫移進量最大為280mm，頂板移進量為320mm， 優(yōu)化支護方案后兩幫最大移進量為150mm，頂板移進量為200mm。對比不難看出，兩幫變形量減少46.4%，頂板變形量減少37.5%，優(yōu)化后的支護方案有利于3417 工作面進風巷圍巖變形控制。

4 結(jié) 論

1）通過對3417 工作面支護影響因素分析，確定了不同間排距和錨固方式等的五種支護方案，數(shù)值分析變形控制效果，錨桿錨索密度由方案二變?yōu)榉桨溉臅r候，兩幫變形量增大了16%，但由方案三變?yōu)榉桨杆牡臅r候，兩幫變形量增大了52%。確定方案三屬于較為合理的支護參數(shù)。

2）將方案三在3417 工作面進風巷進行現(xiàn)場實驗，通過礦壓監(jiān)測，在原支護條件下兩幫移進量最大為280mm，頂板移進量為320mm，優(yōu)化支護方案后兩幫最大移進量為 150mm， 頂板移進量為200mm。對比不難看出，兩幫變形量減少46.4%，頂板變形量減少37.5%，優(yōu)化后的支護方案有利于3417 工作面進風巷圍巖變形控制，滿足安全生生產(chǎn)的要求。