木瓜礦10-1002 工作面軟弱圍巖巷道支護技術(shù)研究與應用

夏鵬飛

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦10-1002 工作面位于一采區(qū)準備大巷左翼。工作面以東145 m 為南區(qū)集中皮帶巷；以南為實體煤，緊鄰一采區(qū)邊界；以西為實體煤；以北為一采區(qū)三條大巷。工作面開采10#煤層，煤層平均厚度為2.85 m，平均傾角為6°。煤層結(jié)構(gòu)復雜，煤層中部夾三層炭質(zhì)泥巖，煤層厚度變化不大，屬較穩(wěn)定煤層。工作面區(qū)域煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征表

10-1002 巷為工作面回采時運料、行人等服務，巷道10#煤層底板掘進，凈度×凈高=4.4 m×2.8 m。由于巷道頂?shù)装鍘r層均為泥巖，且泥巖內(nèi)節(jié)理裂隙較為發(fā)育，10#煤層結(jié)構(gòu)也較為復雜，故巷道圍巖屬于軟弱圍巖。為保障巷道圍巖穩(wěn)定，特進行支護技術(shù)研究。

2 巷道支護參數(shù)分析

2.1 支護原則

根據(jù)10-1002 巷的地質(zhì)資料可知，巷道圍巖較為松軟破碎，且巷道掘進區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較多，巷道掘進期間應力環(huán)境較為復雜。根據(jù)10-1001 巷的掘進資料可知，巷道采用錨網(wǎng)索支護時，圍巖變形量較大，且呈現(xiàn)出明顯的非對稱性，圍巖變形主要表現(xiàn)為頂板整體下沉和兩幫煤體向巷道內(nèi)收斂。基于鄰近巷道的變形情況，故在進行10-1002 巷道支護方案設計時，支護重點為控制巷道兩幫圍巖的穩(wěn)定。

基于眾多支護理論研究及工程實踐結(jié)果可知[1-2]，針對軟弱圍巖進行支護時，首先應采用錨桿與鋼筋網(wǎng)（金屬網(wǎng)）將淺部破碎的圍巖體連接成一個整體，形成淺部圍巖體的基礎(chǔ)承載結(jié)構(gòu)，再進一步通過高預應力錨索將淺部圍巖與深部穩(wěn)定巖層連接為一個整體，充分發(fā)揮深部圍巖自身的承載能力，同時高預應力錨桿也可對淺部破碎圍巖基礎(chǔ)承載結(jié)構(gòu)中的薄弱部位進行補強，以充分保證頂板巖層穩(wěn)定。根據(jù)10#煤層結(jié)構(gòu)復雜、節(jié)理裂隙發(fā)育的特征，并結(jié)合巷道兩幫變形不均勻的情況可知，巷道左幫變形量明顯大于右?guī)?，故在進行支護方案設計時應增強巷道左幫的支護強度，確保巷道頂板與兩幫支護結(jié)構(gòu)可形成協(xié)調(diào)支護[3-4]，保障巷道圍巖的整體穩(wěn)定。

2.2 支護參數(shù)設計

根據(jù)上述支護原則，結(jié)合巷道的地質(zhì)條件，為提升巷道右?guī)偷闹ёo強度，結(jié)合國內(nèi)外眾多工程實踐[5]，初步確定巷道左幫采用普通左旋螺紋鋼錨桿，右?guī)筒捎米怨ュ^桿。自攻錨桿結(jié)構(gòu)特征如圖1，其主要通過桿體上的旋絲與煤巖體之間形成多點接觸，實現(xiàn)將錨桿上的預應力更為有效、均勻地擴散至圍巖內(nèi)。采用自攻錨桿支護時，在巷道圍巖產(chǎn)生一定變形后，桿體受到的擠壓應力會不斷增大，進而進一步增強桿體與煤巖體的接觸，桿體與煤巖體間的摩擦阻力也隨著逐漸增大，進而實現(xiàn)阻止圍巖進一步變形的目的[6-7]。

圖1 自攻錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

基于礦井鄰近巷道的支護方案及自攻錨桿的特征，為確定巷道的合理支護方案，現(xiàn)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行支護方案的設計。設計三組支護方案進行對比分析，具體三種模擬方案的支護參數(shù)如下：

（1）方案一：巷道采用普通錨網(wǎng)索支護，頂板采用Φ22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為950 mm×1000 mm；頂板布置2 個錨索，錨索采用高強度低松弛鋼絞線，規(guī)格為Φ21.6 mm×6300 mm，間排距為1500 mm×2000 mm；巷幫頂角和底角錨桿采用與頂板規(guī)格、材質(zhì)相同的錨桿，幫部煤體部分采用全長自攻錨桿，規(guī)格為Φ22 mm×2500 mm，其余錨桿采用Φ22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿。錨桿與錨索間通過鋼筋梯子梁連接，巷道表面鋪設10#鐵絲編制的金屬網(wǎng)。

（2）方案二：在方案一支護參數(shù)的基礎(chǔ)上，調(diào)整頂板錨桿的排距為800 mm，頂板錨索間排距為1500 mm×1600 mm。

（3）方案三：在方案二支護參數(shù)的基礎(chǔ)上，巷道左幫頂角和底角錨桿采用Φ22 mm×2500 mm的全長自攻錨桿，煤體部分錨桿采用規(guī)格為Φ22 mm×3500 mm 的全長自攻錨桿。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出三種不同支護方案下的圍巖變形量及巷道不均變形系數(shù)，具體對比分析如下：

（1）圍巖變形量。巷道在三種支護方案下圍巖變形量曲線如圖2。

分析圖2 可知，巷道在三種支護方案下，隨著支護強度的增大，圍巖變形量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。巷道在第一種支護方案下圍巖變形量較大，其中頂板下沉量、右?guī)臀灰屏?、左幫位移量最大值分別為210 mm、194 mm 和246 mm，巷道兩幫仍表現(xiàn)為明顯的不均勻變形特征；巷道在采用支護方案二后，巷道圍巖變形量明顯減小，圍巖變形量基本滿足要求，但此時巷道左右兩幫仍呈現(xiàn)出明顯的不對稱變形，左幫最大變形量為175 mm，右?guī)妥畲笞冃瘟繛?38 mm；當巷道采用支護方案三時，圍巖變形量進一步減小，巷道左右兩幫的變形量也基本相同，頂板下沉量及左右兩幫變形量均在150 mm 以內(nèi)，可保障圍巖的穩(wěn)定。

（2）巷道不均勻變形系數(shù)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出巷道在三種支護方案下的不均勻變形系數(shù)如圖3。

圖3 巷道不均勻變形系數(shù)曲線圖

分析圖3 可知，巷道在采用方案一進行圍巖控制時，最大不均勻變形系數(shù)為4.1，采用方案二進行圍巖控制時，最大不均勻系數(shù)為3.6，采用方案三時最大不均勻系數(shù)僅為2.6。據(jù)此可知巷道由方案一變?yōu)榉桨付ёo時，圍巖變形不均勻系數(shù)降低幅度較小，而巷道由方案二變?yōu)橹ёo方案三時，圍巖不均勻系數(shù)大幅下降，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟烤^為協(xié)調(diào)，即巷道的不均勻變形得到了有效控制。

巷道在采用支護方案三時，圍巖變形量得到了有效控制，且巷道的不均勻變形也得到了有效解決，保障了兩幫的均勻變形，實現(xiàn)了巷道內(nèi)的協(xié)調(diào)支護，能夠有效地保障巷道圍巖的穩(wěn)定。

3 支護方案及效果

3.1 支護方案設計

（1）頂板支護。巷道頂板采用Φ22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為950 mm×800 mm，托盤采用鼓形托盤，錨固方式為端頭錨固，預緊扭矩為250 N·m。錨索采用1×7 股鋼絞線，參數(shù)為Φ21.6 mm×6300 mm。每兩排錨桿間布置兩根錨索，錨索間排距為1500 mm×1600 mm，錨桿與錨索之間采用長度為1800 mm 的鋼筋梯子梁連接，10#鐵絲編制的金屬網(wǎng)進行護頂。

（2）兩幫支護。煤柱幫煤體部分錨桿采用Φ22 mm×3500 mm 的全長自攻錨桿，間排距為800 mm×800 mm，幫頂角和幫底角錨桿采用規(guī)格為Φ22 mm×2500 mm 的全長自攻錨桿，錨桿預緊力均為200 N·m，幫頂角和幫底角錨桿與巷幫成15°布置，其余錨桿均垂直于巷幫布置；巷道回采幫中部煤體部分錨桿采用Φ22 mm×2500 mm 的全長自攻錨桿，錨索參數(shù)同煤柱幫，頂角和底角錨桿采用規(guī)格Φ22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿，排距800 mm，預緊扭矩為200 N·m。幫部錨桿采用圓鋼焊接長度為2700 mm 的鋼筋梯子梁連接，金屬網(wǎng)護幫。

具體10-1002 巷道的支護方式示意圖如圖4。

圖4 10-1002 巷道支護斷面示意圖

3.2 效果分析

10-1002 巷道支護方案實施后，通過巷道掘進期間的圍巖變形監(jiān)測分析，能夠得出巷道圍巖變形量隨時間變化的曲線圖如圖5。

分析圖5 可知，隨著巷道掘出時間的增長，巷道圍巖頂?shù)装搴蛢蓭鸵平烤粩嘣龃蟆ｍ數(shù)装寮皟蓭妥冃沃饕性谙锏谰虺龊?～30 d 內(nèi)，當巷道掘出后30 d 后，圍巖變形速率大幅減小，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，最終巷道頂?shù)装寮皟蓭妥畲笞冃瘟糠謩e為169 mm 和195 mm，圍巖變形量較小，支護方案保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖5 巷道圍巖變形量曲線圖

4 結(jié)論

根據(jù)10-1002 巷道的地質(zhì)條件及鄰近巷道支護經(jīng)驗，通過分析巷道條件確定巷道支護重點為控制巷道兩幫圍巖的穩(wěn)定，進一步采用數(shù)值模擬進行支護參數(shù)的設計分析，確定巷道幫部采用全長自攻錨桿，結(jié)合巷道特征進行具體支護參數(shù)設計。根據(jù)巷道圍巖變形曲線可知，支護方案保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。