大陽煤礦3405 工作面順槽支護參數(shù)優(yōu)化研究

申 凱

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司，山西 晉城 048000）

隨著煤礦采深的逐年增加，礦壓加劇、巷道變形、沖擊地壓等情況日趨嚴重。在目前國內(nèi)主要產(chǎn)煤地區(qū)的淺部煤炭資源開采量巨大，大多礦井已進入深部開采階段。在大陽煤礦開采過程中，由于頂板局部含有粗粉砂巖成分，該成分以粘土類礦物為主，強度較弱，存在局部支護效果較差的情況，對巷道支護的穩(wěn)定性造成了一定的影響。

1 概況

大陽煤礦位于晉城市澤州縣大陽鎮(zhèn)香山腳下，生產(chǎn)規(guī)模1.8 Mt/a，主要可采煤層為3 號煤層。3 號煤層偽頂為灰黑色泥巖，厚度為0～0.5 m；直接頂為灰黑色泥巖，局部有粗粉砂巖，中上部有小煤層，平均厚度為4.3 m；基本頂為灰色中砂巖，平均厚度為8.8 m，硅鈣質(zhì)膠結(jié)，局部含大量白云母片，有時含炭質(zhì)條帶。3 號煤層直接底為灰黑色泥巖或細粉砂巖，平均厚度為9.0 m；基本底為灰色石英砂巖，鈣質(zhì)膠接，分選中等，次菱角狀顆粒，平均厚度為2.25 m。四采區(qū)為主采區(qū)，回采工作面采用三巷布置方式，一進兩回，軌道順槽和回風(fēng)順槽沿煤層底板布置，輔助回風(fēng)順槽位于回風(fēng)順槽內(nèi)側(cè)且沿煤層頂板布置。四采區(qū)走向長2.3 km，傾向斜長1.2 km。四采區(qū)3 號煤層平均煤厚5.26 m。3405 工作面采用全部垮落法管理頂板，沿煤層頂板布置，布置長度1280 m，推進長度1137 m。

3405 軌道順槽頂板采用“錨網(wǎng)索+鋼筋梯子梁”聯(lián)合支護，支護斷面圖如圖1 所示。頂板錨桿采用Ф20 mm×2400 mm 左旋無縱筋等強螺紋鋼，間距1000 mm；錨索采用Ф17.8 mm×6300 mm，排距2200 mm；兩幫采用Ф18 mm×1800 mm 左旋螺紋鋼錨桿進行支護，間排距1000 mm×1100 mm；鋼筋網(wǎng)用鋼筋焊接，網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm 的正方形網(wǎng)，用15#鐵絲捆綁打結(jié)。

3405 軌道順槽直接頂為灰黑色泥巖，局部有粗粉砂巖，頂板礦物成分以粘土類礦物為主，強度較弱，局部支護效果較差，容易造成巷道失穩(wěn)。當(dāng)3405 工作面正常開采遭遇泥巖時，會發(fā)生卡鉆、錨固劑丟失等情況，有必要對3405 軌道順槽的支護參數(shù)進行再優(yōu)化。

圖1 大陽煤礦3405 軌道順槽原始支護斷面圖

2 巷道支護數(shù)值模擬

2.1 物理模型

3405 軌道順槽支護模擬采用FLAC3D5.00 軟件，建立尺寸為55 m×4 m×44 m 的物理模型并施加摩爾庫倫本構(gòu)關(guān)系。由于本次模型的重點是對主影響區(qū)內(nèi)巷道變形情況進行分析，且由于巷道塑性變形的影響范圍集中在巷道尺寸3～5 倍之內(nèi)，故采用放射狀網(wǎng)格進行劃分：在3 倍巷道尺寸（5.4 m×3.0 m）的主影響范圍內(nèi)采用0.1～0.5 m 網(wǎng)格；在3～5 倍范圍內(nèi)，即次要影響區(qū)采用0.5～1 m 網(wǎng)格。

2.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計

結(jié)合煤礦實際情況，在保證安全和節(jié)約成本的前提下，提出如下支護方案：采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁”聯(lián)合支護，頂板錨桿采用Ф20 mm×2400 mm 左旋無縱筋等強螺紋鋼，間距為900 mm，排距為1000 mm；錨索采用規(guī)格為Ф17.8 mm×6300 mm，間距為1800 mm，排距2000 mm，每排兩根；兩幫支護錨桿選用規(guī)格為Ф18 mm×1800 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間距為900 mm，排距1000 mm；金屬用Φ6.5 mm 鋼筋焊接，網(wǎng)孔尺寸為100 mm 的正方形網(wǎng)，網(wǎng)片搭接寬度為100 mm，用16#鐵絲三花式捆綁，扭結(jié)3 圈，每間隔200 mm 進行捆綁一次。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2 為3405 軌道順槽在掘進期間垂直應(yīng)力分布示意圖。在巷道掘進期間頂板應(yīng)力云圖呈啞鈴狀分布，在巷道周圍出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象且兩幫處最為明顯，最高峰值可達26.5 MPa，之后應(yīng)力隨距巷道邊緣處距離不斷增大而衰弱。

圖3 為3405 軌道順槽在掘進期間塑性區(qū)分布示意圖。巷道周圍全都分布有塑性破壞，其中多以剪切破壞為主，兩幫與底板塑性破壞程度相近，均在1.0 m 左右；頂板破壞程度較為嚴重，在中心位置有拉伸破壞出現(xiàn)，其塑性區(qū)高度普遍＞1.5 m，最高處可達2.0 m。

圖2 3405 軌道順槽掘進期間應(yīng)力分布云圖

圖3 3405 軌道順槽掘進期間塑性區(qū)分布示意圖

3 工業(yè)性試驗

在結(jié)合數(shù)值模擬研究結(jié)果后，于3405 軌道順槽選取長度約100 m 的現(xiàn)場實測段進行工業(yè)性試驗，優(yōu)化后的支護斷面圖如圖4，施工流程如下。

（1）錨桿施工工藝流程

敲幫問頂后→掛網(wǎng)→掛鋼筋梯子梁→用礦用氣動錨桿鉆機鉆頂板中部錨桿孔、清孔→安裝錨固劑（1 卷S2360 和1 卷Z2360）和錨桿并擰緊螺母→鉆頂板中旁錨桿孔、清孔→安裝錨桿、擰緊螺母→鉆頂板邊錨桿孔、清孔→安裝錨桿、擰緊螺母→鉆頂板邊斜（角）錨桿孔、清孔→安裝錨桿、擰緊螺母。

（2）錨索施工工藝流程

用氣動錨桿錨索鉆機鉆錨索孔→清孔→安裝錨固劑（先放一支S2360 錨固劑，再放兩支Z2360 錨固劑）和錨索→升起錨索鉆機并用攪拌器連接鉆機和錨索尾部→用錨索鉆機攪拌錨固劑→停止攪拌待1min 后→收縮錨桿鉆機，卸掉攪拌器再等15 min →安裝托盤與錨具→用張拉千斤頂張拉到設(shè)計預(yù)緊力→卸下千斤頂。

在施工順利完成后，進行30 d 的觀測，如圖5。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在進行支護參數(shù)優(yōu)化后的3405 軌道順槽頂板下沉量均＜1 mm/d，在觀測的前10 d 變化幅度較大，在15 d 后最終頂板下沉量控制在22 mm后趨于穩(wěn)定；兩幫移進量＜1 mm/d，在25 d 后達到11 mm 趨于穩(wěn)定。

圖4 大陽煤礦3405 軌道順槽優(yōu)化支護斷面圖

圖5 優(yōu)化后巷道變形監(jiān)測效果圖

4 頂板管理措施及建議

（1）巷道掘進施工過程中，安排專人按不小于30%的比例和不大于3 d 的時間間隔采用示值力矩扳手對錨桿螺母預(yù)緊力力矩進行抽檢，頂板錨桿達到120 N·m 即為合格，巷幫錨桿達到100 N·m 即為合格。如發(fā)現(xiàn)不合格錨桿，應(yīng)當(dāng)班重新擰緊至合格。

（2）成立礦壓觀測組，工作面初次放頂前，要在工作面設(shè)礦壓觀測點，實行現(xiàn)場連續(xù)觀測，對上、下出口，上、下順槽及工作面煤幫班班檢查，并向相關(guān)技術(shù)部門匯報情況，以指導(dǎo)工作面頂板管理，保證安全生產(chǎn)。超前支護的單體柱一定要達到初撐力，不低于110 kN。

（3）端頭老塘懸頂面積大于2×5 m2而不垮落，必須將順槽錨索退出，若退出錨索后仍無法使采空區(qū)頂板垮落必須超前工作面對采空區(qū)強制放頂，到時要結(jié)合具體情況另行制定專門措施。

（4）每隔20 m，或遇到煤層變軟變酥、頂板淋水、瓦斯增大、煤層節(jié)理裂隙發(fā)育、片幫等情況，必須對煤體進行可錨性試驗，如發(fā)生明顯變化，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況重新確定支護方式。

5 結(jié)論

（1）通過FLAC3D5.0 數(shù)值模擬，對3405 軌道順槽支護參數(shù)優(yōu)化后，巷道圍巖穩(wěn)定性大幅增強，圍巖塑性區(qū)在優(yōu)化后的范圍較原方案減少30%；

（2）現(xiàn)場實測結(jié)果表明，進行支護參數(shù)優(yōu)化后的3405 軌道順槽頂板下沉量均＜1 mm/d，在觀測的前10 d 變化幅度較大，15 d 后最終頂板下沉量控制在22 mm 后趨于穩(wěn)定；兩幫移進量＜1 mm/d，在25 d 后達到11 mm 趨于穩(wěn)定。