常村礦25 采區(qū)運輸平巷厚層軟弱頂板支護參數(shù)優(yōu)化

武深浩

（山西潞安工程有限公司，山西 長治 046100）

1 概 況

常村煤礦25 采區(qū)運輸平巷服務(wù)于25 采區(qū)運輸系統(tǒng)，巷道沿3 號煤層底板掘進，3 號煤位于山西組的中、下部，為全井田可采，巷道區(qū)域煤層總厚為5.6~ 6.27 m，平均厚度為5.97 m，平均傾角為3.5°，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚為3.24 m，基本頂為細(xì)粒砂巖，均厚為3.81 m，直接底為細(xì)砂巖，均厚為1.42 m，基本底為粉砂巖，均厚為3.55 m。25 采區(qū)運輸平巷的斷面形狀為矩形，斷面尺寸5 000mm×4 000 mm，支護方式為錨桿+錨網(wǎng)+錨索。在巷道頂部布置6 根螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×900 mm，錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm。巷道兩幫錨桿規(guī)格與頂板相同，間排距為800 mm×900 mm。巷道兩幫采用金屬錨網(wǎng)，規(guī)格為4 000 mm×1 000 mm。頂板錨索間排距2 000 mm×9 00 mm，規(guī)格為φ17.8 mm×9 000 mm。支護情況如圖1 所示。25 采區(qū)運輸平巷在初始掘進時，礦壓顯現(xiàn)不明顯。當(dāng)巷道掘進300 m 左右時，巷道頂板出現(xiàn)明顯下沉變形。因此，需要找出巷道變形原因，并提出解決方案，保證今后正常掘進。

圖1 巷道斷面支護示意Fig.1 Roadway section support

2 巷道變形破壞原因及控制技術(shù)

為了解原支護體系下運輸平巷的變形破壞特征，在巷道內(nèi)設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測巷道變形情況。通過檢測頂板離層量發(fā)現(xiàn)，掘進期間巷道頂板下沉量多在200 mm 以上，頂板上方8 m 范圍內(nèi)頂板離層量達(dá)到140 mm。掘進期間，頂板錨固區(qū)外離層的持續(xù)發(fā)育導(dǎo)致頂板錨索受力急劇增大，巷道幫部煤體破碎，兩幫的變形量平均達(dá)到800 mm，網(wǎng)兜現(xiàn)象嚴(yán)重。巷道頂板巖層易風(fēng)化崩解，碎脹變形大并易出現(xiàn)離層冒落，圍巖存在顯著的離層錯位。造成這一現(xiàn)象的主要原因是錨索長度過大造成錨索預(yù)緊力作用范圍減小，在拉應(yīng)力和切應(yīng)力的共同作用下導(dǎo)致巷道周圍巖層發(fā)生剪切變形，頂板下沉變形。針對厚層軟弱頂板巷道，圍巖控制技術(shù)的主體為錨桿錨索支護技術(shù)。為此，需要研究支護技術(shù)，對原有的錨桿錨索進行2 個方面的優(yōu)化。

（1） 強化頂板承載結(jié)構(gòu)。由于厚層軟弱頂板巷道，其頂板下沉量較大，且易出現(xiàn)頂板整體下沉的現(xiàn)象，故為了保障頂板安全，在厚層軟弱頂板進行支護時，應(yīng)加大錨索作用范圍，形成有效的應(yīng)力作用區(qū)，控制頂板松動。對于厚層軟弱頂板，存在錨索無法作用到堅硬頂板的現(xiàn)象，基于該特點需縮小錨索間距，使各根錨索間形成的壓應(yīng)力區(qū)域相互疊加，進而將壓應(yīng)力區(qū)域聯(lián)結(jié)為一個整體，在頂板上形成具有一定承載能力的加固拱。錨索加固如圖2 所示。

圖2 錨索加固拱示意Fig.2 Reinforcement of anchor cable

由于加固拱以內(nèi)的煤巖體相對處于三軸受力的狀態(tài)，使得該部分巖體具有較好的承載性能，加固拱的承載能力與錨索間距、預(yù)緊力、長度等有關(guān)，其表達(dá)式如下：

式中：q為錨索加固拱的承載能力；R為巷道的外接圓半徑；Q為錨索的預(yù)緊力；L為錨索的長度；D為錨索的間排距；θ 為煤巖體的內(nèi)摩擦角。

（2） 頂板幫部協(xié)同支護。在巷道頂板下沉的過程中，頂板壓力會逐漸向巷道的兩幫轉(zhuǎn)移，巷道幫部應(yīng)力逐漸變大，巷道發(fā)生變形破壞。為減小頂板離層量，需要加強幫部支護。由于兩幫煤體的強度較低，且?guī)筒康钠茐男问街饕獮槊后w交界面的滑移和壓剪破壞。針對厚層軟弱頂板煤幫的加固，可通過采用錨桿與短錨索聯(lián)合支護的形式，提高巷道幫部強度，詳細(xì)的支護機理如圖3 所示。錨桿錨索共同支護的體系提高了幫部的支護強度，形成巷道強幫護頂?shù)恼w支護形式。

圖3 巷道幫部錨索錨桿支護示意Fig.3 Anchor cable and bolt support at roadway side

3 巷道支護優(yōu)化

3.1 加強頂板控制

將現(xiàn)場實際地質(zhì)情況同巷道圍巖控制技術(shù)相結(jié)合，對原有支護方案進行優(yōu)化改進。

（1） 運輸平巷全長2 000 m，巷道斷面為矩形，規(guī)格為5 000 mm×4 000 mm。

（2） 頂板的支護錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 500 mm，間排距880 mm×800 mm。采用1 卷Z2360 樹脂錨固劑。頂板鋼筋梯梁的規(guī)格為4 900 mm×88 mm，金屬網(wǎng)規(guī)格為2 550 mm×1 050 mm。

（3） 幫部錨桿與頂板相同，間排距為850 mm×800 mm。鋼筋梯梁的規(guī)格為2 000 mm×88 mm。

（4） 頂板的錨索規(guī)格為φ21.8 mm×7 300 mm。間排距1 200 mm×800 mm，布置在2 排錨桿中間。采用2 卷Z2360 樹脂錨固劑。

（5） 巷道幫部布置2 根中空注漿錨索，間排距1 500 mm×1 600 mm，規(guī)格為φ21.8 mm×4 000 mm。實體煤側(cè)的錨索規(guī)格為φ21.8 mm×5 000 mm。后期為了降低支護成本，將中空注漿錨索調(diào)整為普通錨索。優(yōu)化后的巷道斷面如圖4 所示。

圖4 巷道斷面支護參數(shù)Fig.4 Supporting parameters of roadway section

3.2 巷道支護效果模擬

根據(jù)25 采區(qū)運輸平巷的實際地質(zhì)情況，借鑒類似工況經(jīng)驗，通過FlAC3D 軟件，采用摩爾- 庫倫本構(gòu)模型建立常村礦25 采區(qū)運輸平巷支護模型。結(jié)合現(xiàn)場的實測情況，模型Y 方向施加載荷15 MPa，X 方向位移約束，底部垂直方向位移約束。模擬模型尺寸設(shè)置為60 m×60 m×10 m，巷道斷面為5 m×4 m。根據(jù)頂?shù)装宓膸r性，賦予相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，并進行巷道開挖，分析巷道變形。模擬結(jié)果如圖5 所示。

圖5 支護優(yōu)化前后圍巖塑性區(qū)和位移分布Fig. 5 Surrounding rock plastic zone and displacement distribution before and after support optimization

模擬結(jié)果顯示，支護優(yōu)化前巷道兩幫和頂板破壞較大。優(yōu)化后，破壞范圍明顯變小，頂板及兩幫破壞深度由2.2 m 減小到0.9 m，改善效果明顯。在模型中設(shè)置測點進行巷道圍巖變形監(jiān)測，優(yōu)化后各部位圍巖變形量明顯減小，頂板、底板、幫部變形量分別由81.3、108.6、551 mm 減小至37.2、47.3、298 mm，分別減小了54.2%、56.4%、45.9%?？梢姡瑑?yōu)化后可有效抑制圍巖塑性區(qū)向深部發(fā)展，確保巷道圍巖的穩(wěn)定。

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

應(yīng)用優(yōu)化方案后，在巷道表面不同地方設(shè)置數(shù)個監(jiān)測點，觀察巷道變形量。圖6 為巷道變形量監(jiān)測圖。

圖6 巷道變形量監(jiān)測曲線Fig.6 Monitoring curve of roadway deformation

由巷道變形監(jiān)測曲線可知，優(yōu)化后頂板的最大下沉量約為75 mm，煤幫的變形量約為300 mm，實體煤幫變形量約為380 mm，巷道兩幫的變形量約為700 mm，巷道變形量得到了有效的控制。

在應(yīng)用優(yōu)化后的支護方案后，運輸平巷的兩幫及頂?shù)装宓淖冃瘟烤刂圃谠试S范圍內(nèi)，能夠滿足巷道通風(fēng)及行人的要求，雖然靠近工作面?zhèn)鹊南飵妥冃蜗鄬^大，但是巷道的整體控制良好，因此可以斷定25 采區(qū)運輸平巷支護合理。

4 結(jié) 語

常村礦巷道頂板為軟弱厚層頂板，通過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，巷道產(chǎn)生變形的主要原因是錨索過長，預(yù)緊力作用范圍變小。在結(jié)合現(xiàn)場實際情況后，利用頂巷道圍巖控制技術(shù)對原支護方案進行了改進，得到錨桿+錨索+錨網(wǎng)的聯(lián)合支護方案。經(jīng)過數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測，該支護體系能夠確保25 采區(qū)運輸平巷在今后的掘進工作中正常安全的使用。