趙莊煤礦2#底抽巷圍巖穩(wěn)定性分析及支護技術研究

謝志強

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司趙莊煤業(yè)，山西 長治 046600）

礦井瓦斯事故作為制約礦井安全生產的重要危害之一，在煤礦五大災害中位居首位[1]。由于瓦斯?jié)舛冗^高會造成瓦斯積聚，嚴重時甚至引發(fā)瓦斯爆炸，在治理瓦斯時，常采用高位巷與底抽巷施工穿層鉆孔進行瓦斯抽采[2]，高位巷和底抽巷在服務期間的穩(wěn)定性極為重要。為此，許多工程人員經過現(xiàn)場經驗，取得了一定的成果[3-4]，但是，對于底抽巷的巷道圍巖穩(wěn)定性特征分析研究較少。本文以2319工作面2#底抽巷為研究背景，分析在采動影響下的圍巖變形特征，并給出合理的巷道支護方案。

1 工程背景

趙莊煤礦2319 工作面開采的3#煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度2.9 m，瓦斯涌出量為0.94 m3/t。為對該工作面進行瓦斯治理，設計兩條底抽巷。2#底抽巷長961.6 m，矩形斷面，凈寬4.0 m，凈高3.1 m，凈斷面積12.4 m2。巷道頂?shù)装鍘r性見表1。1#底抽巷支護方式為錨網索聯(lián)合支護，頂板選用規(guī)格為Ф18 mm×1800 mm 高強錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm，采用2 支MSCK2350 樹脂藥卷錨固；錨索采用Ф15.24 mm、長度4500 mm 的7 股低松弛鋼絞線，每排3 根，間距為2600 mm。兩幫采用Ф18 mm×1600 mm 的圓鋼錨桿，間排距為1300 mm×1000 mm；頂板與兩幫都采用LW10/70-1450×4500 金屬網，網孔規(guī)格70 mm×70 mm，網片規(guī)格為4500 mm×1450 mm。

該巷因受采動影響，在服務期間，巷道整體變形嚴重，錨桿、錨索脫落，冒頂事故時有發(fā)生。為了使2#底抽巷安全有效地服務該工作面，需對該底抽巷進行合理方案設計。

表1 巷道頂?shù)装鍘r性

圖1 2319 巷現(xiàn)場調研圖

2 巷道破壞原因

（1）高地應力

為了獲取實際的地質力學參數(shù)，在2319 工作面2#底抽巷進行了2 組鉆孔地應力測試試驗。測點1 處最大、最小水平主應力分別為16.08 MPa 和9.45 MPa，垂直主應力為11.36 MPa；測點2 處最大、最小水平主應力分別為12.58 MPa、8.04 MPa，垂直主應力為11.12 MPa。在巷道圍巖中水平主應力占主導位置，垂直應力次之。當水平主應力與垂直主應力差值較大時，巷道會容易發(fā)生剪切破壞。同時，再加上2319 工作面采動的影響，巷道掘進在雙重擾動的應力下，圍巖應力提高至原來的兩倍左右，高應力集中致使巷道破壞。根據(jù)1#底抽巷發(fā)生的錨桿、錨索等支護體失效現(xiàn)象，說明原支護參數(shù)下錨桿的錨固力150 N·m 及錨索的預緊力200 N·m不足以滿足支護需要。原巖應力高、支護參數(shù)不合理及臨近采動影響是巷道圍巖變形破壞的主要原因。

（2）支護體失效

實際調研情況能夠看出，1#底抽巷在使用期間，巷道局部錨桿脫落、金屬網斷開，推測此時在巷道內部的支護體已局部失效，巷道處于開放支護狀態(tài)，發(fā)生大面積變形破壞。

3 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)2319 工作面2#底抽巷實際地質條件，適當簡化模型，建立模型尺寸為120 m×60 m×80 m，根據(jù)研究要求劃分6 類大小不同的單元，共28 900個模擬單元。3#煤層頂?shù)装辶W參數(shù)見表2。

表2 3#煤層頂?shù)装辶W參數(shù)表

數(shù)值模擬設定在底板表面處完全約束，對模型四周施加水平約束，同時在模型上表面施加固定載荷以模擬未建模的巖層對模型施加的重力，定義模型本構關系為莫爾-庫倫本構關系，數(shù)值模擬模型圖如圖2。

圖2 數(shù)值計算模型

3.2 模擬結果分析

2319 底抽巷的應力分布情況隨2319 工作面的推進不斷升高。當2319 底抽巷巷道變形趨于穩(wěn)定時，對巷道圍巖應力情況進行監(jiān)測，2319 底抽巷巷道變形量如圖3。由圖3 可知，2319 底抽巷巷道頂板下沉量較大，達到183.5 mm，底板圍巖變形量為158.7 mm。

圖3 垂直位移分布云圖

隨著2319 工作的回采，2319 工作面及2319 軌道巷應力發(fā)生較大變化，出現(xiàn)明顯的應力降低區(qū)，造成了區(qū)域內的圍巖破壞，同時2319 工作面煤體及頂?shù)装灏l(fā)生應力集中，應力分布云圖如圖4。由圖4 可知，2319 底抽巷處于應力集中區(qū)與應力降低區(qū)的交接位置，此時應力已開始逐漸減弱，頂板穩(wěn)定性良好，頂板圍巖應力為11.5 MPa，巷道整體圍巖應力較大，且巷道左右兩側的應力基本呈對稱分布，應力升高區(qū)主要集中在巷道頂板處及巷道底角處，對巷道產生了一定程度的破壞，此時的局部支護體已失效。

圖4 巷道垂直應力云圖

4 巷道支護方案設計

通過巷道圍巖變形和垂向應力分析可知，2319底抽巷首先破壞變形的位置是頂板，其次是兩幫，垂直應力區(qū)間值為13～19 MPa。巷道采用錨、網、梁、索、聯(lián)合支護方式。

4.1 頂板支護

采用Φ22#左旋無縱筋螺紋鋼、長2400 mm的錨桿，桿尾螺紋為M24，配套使用調心球墊及減摩墊，強度不低于500 MPa，錨桿間排距為900 mm×900 mm，預緊扭矩不低于280 N·m，且不 超 過350 N·m，采 用2 支 規(guī) 格 為MSK2335 和MSZ2360 樹脂藥卷進行錨固，鉆頭直徑為28 mm，鉆孔直徑為30 mm；托盤采用拱形高強度托盤，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，承載能力不低于280 kN。錨索采用1×19 股高強度低松弛鋼絞線，Φ=22 mm，長度6300 mm，尾部配有高強度鎖具。錨索每排5 根，間距為2200 mm；托盤采用高強度碟形托盤；托梁采用Φ14 mm 的鋼筋焊接而成，寬80 mm，長3700 mm。

網片采用10#鐵絲編織，網孔規(guī)格為30 mm×30 mm，網片規(guī)格為5500 mm×1000 mm，網片之間相互搭接。

4.2 巷幫支護

采用Φ22#左旋無縱筋螺紋鋼、長2400 mm的錨桿，桿尾螺紋為M24，配套使用調心球墊及減摩墊，強度不低于500 MPa，間排距為900 mm×900 mm，預緊力矩不小于200 N·m，采用2支型號為MSK2335 和MSZ2360 的樹脂加長錨固，鉆孔直徑為30 mm；托盤采用拱形高強度托盤，承載能力不低于300 kN；網片規(guī)格及鋪設方法與護頂網片相同；采用W 鋼護板支護，W 鋼護板規(guī)格5 mm×280 mm×450 mm。幫錨桿打設時，幫角錨桿沿水平線偏轉10°，距頂板距離100 mm，距底板距離300 mm。

5 應用效果

5.1 現(xiàn)場應用

根據(jù)上述優(yōu)化的支護方案參數(shù)，在2#底抽巷選擇一段長50 m 的試驗巷道，按照優(yōu)化后的支護方案進行巷道支護，巷道支護施工斷面如圖5。

圖5 巷道支護斷面布置參數(shù)

5.2 支護效果分析

在巷道內部布設3 個測站觀測巷道變形情況，巷道變形曲線圖如圖6。

圖6 巷道監(jiān)測效果圖

從圖中可以看出：經過80 d 對巷道圍巖變形進行觀測，巷道在觀測初期圍巖變形量較大，后期圍巖變形量趨于穩(wěn)定。由圖6（a）可知，三個測站的最大頂板移進量分別為53 mm、51 mm、52 mm；由圖6（b）可知，三個測站的最大兩幫移進量分別為26 mm、27 mm、32 mm。優(yōu)化后的支護方案實現(xiàn)了對巷道穩(wěn)定性的有效控制，提高了巷道的安全性。

6 結論

（1）數(shù)值模擬表明，巷道圍巖變形量的不同位置及垂直應力分布的情況是影響底抽巷變形破壞的因素，其中垂直應力分布的集中程度對巷道支護和維護起重要作用。

（2）從監(jiān)測效果中可以看出，盡管巷道頂板移進量與兩幫變形量有所增加，但最終趨于穩(wěn)定，有效控制了巷道變形，提高了巷道穩(wěn)定性。

（3）在底抽巷道服務期間，未發(fā)生頂板整體下沉量大、支護體失效等問題，保證了煤礦的安全生產。