臺(tái)頭礦2#煤層動(dòng)壓巷道圍巖應(yīng)力分析及支護(hù)技術(shù)研究

郭學(xué)亮

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

1 工程概況

山西鄉(xiāng)寧臺(tái)頭煤礦3206 工作面位于二采區(qū)回風(fēng)下山北側(cè)，工作面南部為三采區(qū)巷道，北部為三采區(qū)邊界，東部為正在回采的3204 工作面，西部為實(shí)體煤，如圖1。工作面開采山西組下部2#煤層，煤層厚度為1.68～3.65 m，煤層平均厚度為2.7 m，平均傾角為10°。煤層頂板巖層為砂質(zhì)泥巖和砂巖，底板巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖。3206 工作面回風(fēng)巷沿2#煤層頂板掘進(jìn)，初始設(shè)計(jì)巷道掘進(jìn)斷面為矩形，掘進(jìn)寬×高=4500 mm×3600 mm。由于礦井采掘接替緊張，3206 巷道掘進(jìn)期間，鄰近3204 工作面正在進(jìn)行回采作業(yè)，即巷道掘進(jìn)會(huì)受到鄰近工作面的采動(dòng)影響。為保障回風(fēng)動(dòng)壓巷道掘進(jìn)期間的穩(wěn)定，特進(jìn)行巷道圍巖應(yīng)力及支護(hù)方案的研究分析。

2 采動(dòng)影響下圍巖應(yīng)力分析

由于3206 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間鄰近3204 工作面在進(jìn)行回采作業(yè)，工作面回采方向與掘進(jìn)方向?yàn)閷?duì)向，巷道掘進(jìn)時(shí)可劃分為三階段，分別為：實(shí)體煤掘進(jìn)階段、采動(dòng)影響階段和沿煤柱掘巷階段。巷道圍巖支護(hù)較為困難的階段為采動(dòng)影響階段，為保障巷道整體的支護(hù)效果，特分析此階段巷道的圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。因圍巖應(yīng)力環(huán)境較為復(fù)雜，采用理論分析得出的結(jié)果對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)意義較小[1-2]，故采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行動(dòng)壓巷道圍巖應(yīng)力的分析。

根據(jù)巷道具體的地質(zhì)條件，結(jié)合3204 工作面和回風(fēng)巷的設(shè)計(jì)參數(shù)， 建立模型長(zhǎng)×寬×高=200 m×300 m×75 m，設(shè)置開采煤層厚度為2.5 m，傾角為10°，模型中工作面長(zhǎng)度為300 m，模型兩側(cè)邊限制水平位移，底板限制垂直方向的位移，頂板根據(jù)巷道埋深為650 m，施加等效均布荷載為16.25 MPa[3]，模型中各巖層的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行賦值。具體建立的數(shù)值模型如圖2。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)工作面回采80 m時(shí)，巷道掘進(jìn)30 m。為分析工作面回采對(duì)鄰近圍巖的影響，通過在模型后方布置測(cè)線能夠得出側(cè)向支承應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力分布情況如圖3。

分析圖3 可知，鄰近3204 工作面回采后，采空區(qū)側(cè)向支承壓力出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最后側(cè)向支承壓力趨近于原巖應(yīng)力。從圖中能夠看出工作面回采后側(cè)向支承壓力的峰值達(dá)到32.34 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2，側(cè)向支承應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在距離煤壁12 m 的位置處；結(jié)合側(cè)向支承壓力分布云圖和支承壓力曲線分析，能夠大致得出工作面回采導(dǎo)致側(cè)向煤體的破碎區(qū)面積小于12 m，即表明側(cè)向塑性區(qū)的范圍在12 m 內(nèi)，而側(cè)向彈性核區(qū)的范圍約為20 m，工作面回采對(duì)側(cè)向煤體總體的影響范圍在50～60 m 內(nèi)。3206 回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，為利于巷道圍巖控制，應(yīng)盡量將巷道布置在彈性核區(qū)內(nèi)[4-5]，即區(qū)段煤柱的留設(shè)寬度應(yīng)≥20 m。

圖3 工作面回采后側(cè)向支承壓力分布圖

在工作面回采150 m 后，在工作面一處位置向工作面推進(jìn)方向布置測(cè)線，對(duì)工作面的超前支承壓力分布云圖和分布曲線進(jìn)行出圖分析，具體云圖和曲線圖如圖4。

圖4 超前支承壓力分布圖

分析圖4 可知，3204 工作面回采期間，工作面超前支承壓力呈現(xiàn)出增大后降低，最后趨于原巖應(yīng)力的趨勢(shì)。工作面超前支承壓力峰值出現(xiàn)在工作面前方19 m 的位置處，支承壓力峰值為19.07 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.2；在超前工作面50 m 后，工作面前方圍巖支承壓力基本達(dá)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，為16.08 MPa。據(jù)此可知，3204 工作面回采期間超前支承壓力的影響范圍為50 m 左右，即在3206 回風(fēng)巷掘進(jìn)至與工作面相距50 m 時(shí)，隨著工作面回采和巷道掘進(jìn)，圍巖應(yīng)力會(huì)逐漸增大，圍巖受到采動(dòng)影響的程度會(huì)不斷增強(qiáng)，需要對(duì)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，以充分保障圍巖穩(wěn)定。

綜合上述分析，結(jié)合3204 工作面與3206 工作面間的位置關(guān)系及礦井生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定3206 回風(fēng)巷區(qū)段煤柱寬度為20 m，巷道與工作面間距離≤50 m，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)巷道圍巖穩(wěn)定性的控制。

3 支護(hù)方案及效果

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)3206 工作面回風(fēng)巷的具體地質(zhì)條件，結(jié)合鄰近3204 工作面回采巷道的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，若巷道采用矩形斷面，由于煤層具有一定的傾角，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)時(shí)會(huì)存在破頂或丟煤的現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)，巷道頂板巖性不統(tǒng)一，不利于巷道圍巖的控制。且基于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，巷道采用矩形斷面，采用錨網(wǎng)索支護(hù)時(shí)，巷道兩幫會(huì)出現(xiàn)錨網(wǎng)鼓起、鋼帶彎折較大的現(xiàn)象，普遍呈現(xiàn)出支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)效果差的特征。

綜合上述分析，確定優(yōu)化3206 工作面回風(fēng)巷斷面為梯形，巷道掘進(jìn)寬度×高度=4500 mm×3000 mm，巷道斷面面積為14.1 m2，巷道采用錨網(wǎng)索+M 型鋼帶+鋼梁聯(lián)合支護(hù)，具體支護(hù)方案如下：

（1）頂板支護(hù)。錨桿規(guī)格型號(hào)為MSGLW-335/Φ22 mm×2500 mm，錨桿間排距為800 mm×800 mm，巷道每排布置6 根錨桿，其中頂角錨桿與幫部的間距為100 mm，兩幫角錨桿與頂板成15°打設(shè)，其余錨桿均垂直于頂板布置，錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m。巷道表面采用金屬網(wǎng)片進(jìn)行護(hù)頂，錨桿間通過M 型鋼帶進(jìn)行連接，M 型鋼帶壓在金屬網(wǎng)片上。頂板錨索規(guī)格型號(hào)SKP18-1/Φ21.6 mm×6800 mm，錨索每排布置4 根，排距為800 mm，錨索均垂直于巷道頂板施工，每排的4 根錨索均支護(hù)在14#b 型的槽鋼上，錨索托盤放在槽鋼凹面中，槽鋼平面與錨網(wǎng)進(jìn)行接觸，錨索預(yù)緊力為150 kN。

（2）兩幫支護(hù)。幫部錨桿規(guī)格型號(hào)、錨固方式均同頂板，錨桿排距同樣為800 mm。其中巷道低幫每排布置5 根錨桿，錨桿間距為700 mm，兩幫角錨桿分別與頂板和底板呈15°布置；高幫每排布置6 根錨桿，兩幫角錨桿與頂板分別相距100 mm，錨桿間距為800 mm；頂幫角和底幫角錨桿分別與頂板和底板相距100 mm，與頂板和底板分別成15°布置，其余錨桿均垂直于巷幫；巷道高幫和低幫錨桿均配合金屬網(wǎng)和M 型鋼帶進(jìn)行支護(hù)，錨桿預(yù)緊力矩為300 N·m。巷幫錨索采用1×7 股高強(qiáng)度鋼絞線，規(guī)格型號(hào)為SKP18-1/Φ17.8 mm×4500 mm，幫錨索排距為800 mm。低幫每排布置3 根錨索，中部?jī)筛^索間距為1050 mm，其中上部和下部錨索分別上仰和下扎25°；高幫每排布置4 根錨索，中部?jī)筛^索間距為1714 mm，兩幫角錨索布置同低幫。幫部錨索預(yù)緊力為100 kN，錨索間同樣通過槽鋼進(jìn)行連接。

具體3206 工作面回風(fēng)巷支護(hù)布置如圖5。

圖5 3206 工作面回風(fēng)巷支護(hù)布置示意圖（mm）

3.2 效果分析

為分析巷道圍巖變形特征，在巷道掘進(jìn)期間設(shè)置圍巖變形量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行變形數(shù)據(jù)的測(cè)量分析。巷道每間隔50 m 布置一組監(jiān)測(cè)站，測(cè)站持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。根據(jù)巷道內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，回風(fēng)巷掘進(jìn)至550 m 時(shí)受到3204 工作面的采動(dòng)影響較大，在巷道掘進(jìn)650 m 后回風(fēng)巷基本處于穩(wěn)定區(qū)域。具體這兩處區(qū)域與工作面間的位置關(guān)系如圖6。

圖6 巷道測(cè)站與工作面間位置關(guān)系圖

根據(jù)巷道圍巖變形量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠得出巷道在動(dòng)壓影響階段和應(yīng)力穩(wěn)定階段的圍巖變形曲線如圖7。

圖7 動(dòng)壓巷道掘進(jìn)期間圍巖變形曲線圖

由圖7（a）可知，由于此時(shí)巷道圍壓受工作面采動(dòng)影響較大，巷道的整體變形量相對(duì)較大，巷道圍巖變形速率在掘出5 d 后達(dá)到最大值，頂?shù)装搴蛢蓭妥冃嗡俾实淖畲笾捣謩e為80 mm/d 和67 mm/d，巷道掘出20 d 后，圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟康淖畲笾捣謩e為364 mm 和237 mm。分析圖7（b）可知，巷道在應(yīng)力穩(wěn)定階段掘進(jìn)時(shí)，巷道與工作面相距100 m，圍巖變形速率最大值同樣出現(xiàn)在巷道掘出5 d 后，巷道在掘出20 d 后圍壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終頂?shù)装搴蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為214 mm 和148 mm。

綜合上述分析可知，動(dòng)壓影響階段巷道圍巖的變形量相較于應(yīng)力穩(wěn)定階段變形速率和變形量均大幅升高，但巷道總體變形量仍處于合理范圍內(nèi)，滿足回采巷道的使用要求。

4 結(jié)論

根據(jù)3206 回風(fēng)巷掘進(jìn)和3204 工作面回采間具體情況，通過分析3204 工作面?zhèn)认蛑С袎毫统爸С袎毫Ψ植家?guī)律，確定區(qū)段煤柱寬度為20 m，巷道與工作面距離小于50 m 后，應(yīng)加強(qiáng)圍巖控制?；跀?shù)值模擬結(jié)果設(shè)計(jì)巷道采用錨網(wǎng)索+M 型鋼帶+鋼梁聯(lián)合支護(hù)。根據(jù)圍巖觀測(cè)結(jié)果可知，現(xiàn)有支護(hù)方案保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。