回坡底煤礦掘進巷道支護方案優(yōu)化探討

房旭康

（霍州煤電集團回坡底煤礦生產(chǎn)技術(shù)部，山西 洪洞 041600）

煤層開采時，部分掘進工作面沿煤層掘進布置，不同于巖層布置巷道，一般情況下，煤巷圍巖力學(xué)特性差，裂隙發(fā)育較破碎，難以維護。造成采掘工作的不協(xié)調(diào)。隨著掘進技術(shù)的不斷發(fā)展，巷道掘進的速度越來越快，支護速度落后于掘進速度的現(xiàn)象造成了采掘工作的不協(xié)調(diào)，影響到回采工作的順利進行。以2-2092回風(fēng)巷道為工程實例，對巷道支護優(yōu)化方案進行初步探討，以解決巷道支護上存在的不合理因素，并滿足安全生產(chǎn)需求。

1 工程概況

回坡底煤礦是霍州煤電集團主力礦井，對集團的發(fā)展有著舉足輕重的作用。2-209工作面煤層為山西組9#煤，平均厚度為3.2 m，平均傾角為4°，煤層間有1.3 m左右的夾矸。工作面直接頂是平均厚度為0.94 m的砂質(zhì)泥巖，老頂為平均厚度為8.5 m的細砂巖，底板是平均厚度為3.9 m的泥巖。

地質(zhì)資料顯示，在工作面區(qū)域存在兩條斷層，其中斷層FM3在開切眼處的落差達到14 m，在回風(fēng)巷中落差為5.3 m。工程實踐中，2-2092回風(fēng)巷道寬4.8 m、高3.2 m，原支護方案下，在巷道掘進期間圍巖變形較大，需對支護方案進行優(yōu)化，以確保掘進工作的順利進行。

圖1 2-209工作面巷道平面布置

主要通過數(shù)值模擬軟件FLAC3D對巷道穩(wěn)定性進行分析，根據(jù)實際地質(zhì)環(huán)境建立模型，該模型長×寬×高=80 m×8 m×40 m，共劃分30萬個網(wǎng)格。數(shù)值模擬巖層物理力學(xué)特性如表1所示。

表1 數(shù)值模擬巖層物理力學(xué)參數(shù)表

模擬方案主要分析不同錨桿長度參數(shù)下圍巖的變形特征，錨桿長度分別為3.5 m、4 m、4.5 m，其他參數(shù)均不變。

支護方案如下：頂板采用螺紋鋼錨桿配合鋼筋網(wǎng)的方式進行聯(lián)合支護，錨桿直徑20 mm，間距840 mm，排距900 mm；頂板錨索直徑17.8 mm，長度7 200 mm，間距2 520 mm，排距2 700 mm，共布置兩根錨索。巷道兩幫采用螺紋鋼錨桿配合金屬網(wǎng)的方式進行支護，錨桿直徑20mm，間距和排距均為900 mm，錨桿的錨固力大于30 kN。

為了更直觀的顯示圍巖變形，將模擬結(jié)果以曲線的形式展現(xiàn)，得到如圖1所示的不同錨桿長度支護下圍巖變形量曲線，其中（a）圖所示的頂板下沉量曲線中，不同長度的錨桿支護下，頂板下沉量變化規(guī)律相似，隨著與工作面距離的增加，頂板下沉量逐漸降低，采用3.5 m錨桿支護時，與工作面距離大于20 m后，頂板下沉量速率穩(wěn)定，錨桿長度為4 m、4.5 m時，與工作面距離大于30 m時，頂板下沉速率趨于穩(wěn)定值；無論何種支護方式，與工作面距離小于20 m時，頂板的變形量均較大，這與工作面的回采有直接關(guān)系；其中（b）圖所示的兩幫變形量曲線中，隨著錨桿長度的增加，變形量呈現(xiàn)降低的趨勢，不同長度錨桿支護下，兩幫變形量差異不大。

圖1 不同錨桿長度支護下圍巖變形量

綜合考慮頂板兩幫的變形量，采用4m長錨桿支護時，頂板最大下沉量為126.1 mm，相比采用3.5 m長錨桿支護時，頂板下沉量降低40%；采用4.5 m長錨桿支護時，頂板最大下沉量為115.2 mm，與錨桿長度為4 m支護時的頂板最大變形量相近。兩幫變形量差異性小，與錨桿長度3.5 m支護做比較，錨桿長度4 m、4.5 m支護時，兩幫變形量分別降低7.69%、21.15%，但是整體變形量較為穩(wěn)定。從工程角度出發(fā)，錨桿的長度延伸至細砂巖中，強大的錨固力加強了巖層的完整性，形成可連續(xù)承載的梁體結(jié)構(gòu)，巷道圍巖變形可以得到穩(wěn)定控制。錨桿長度為4 m時，錨固厚度的增加限制了巷道圍巖的變形，相比4.5 m錨桿支護費用更低，是最佳的支護選擇。

3 工程應(yīng)用

基于數(shù)值模擬結(jié)果，在現(xiàn)場進行工程實踐。采用與錨桿配套的扭矩倍增器、張拉套裝等進行打眼、安裝等工藝，在回風(fēng)巷的試驗段內(nèi)，7個工作日內(nèi)平均進尺16.28 m，因為地質(zhì)以及設(shè)備等非人為原因，最少進尺僅有4.2 m，最多進尺達到7.8 m。施工期間及結(jié)束后，對巷道進行礦壓觀測，以分析支護方案的可行性。

1）掘進期間圍巖變形監(jiān)測。對施工段內(nèi)巷道圍巖變形進行監(jiān)測，得到如圖2所示的曲線，對于頂板而言，在距離迎頭70 m以內(nèi)，頂板下沉量呈現(xiàn)線性增加的趨勢，當(dāng)迎頭距離為70～100 m時，變形量趨于穩(wěn)定；兩幫變形量呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，頂板最大下沉量158.31 mm、兩幫最大下沉量為94.15 mm，掘進造成的圍巖裂隙擴展以及相鄰工作面的影響，使得實測值較大，但是長錨桿的加強支護避免了應(yīng)力的不連續(xù)傳遞，降低了巷道的支承壓力，緩解了圍巖變形。

圖2 巷道掘進期間圍巖變形監(jiān)測曲線

2）掘進期間錨桿受力監(jiān)測。錨桿預(yù)緊結(jié)束后，實際預(yù)應(yīng)力是48 kN，在距離迎頭60 m范圍內(nèi)，錨桿軸向載荷呈現(xiàn)線性增加的趨勢，當(dāng)迎頭距離達到80 m、100 m時，錨桿軸向載荷受力趨于穩(wěn)定，最大值達到63 kN，在合理范圍內(nèi)，表明支護優(yōu)化方案可行。

圖3 錨桿軸向受力監(jiān)測曲線

3）工作面回采期間圍巖變形監(jiān)測。監(jiān)測工作面回采期間圍巖的變形是檢測支護方案最直接的方法。圖4所示的工作面回采期間圍巖變形監(jiān)測曲線中，當(dāng)回風(fēng)巷道距離工作面80～100 m范圍時，頂板以及兩幫的位移量比較穩(wěn)定，回風(fēng)巷道距離工作面80 m范圍內(nèi)，圍巖變形呈現(xiàn)增大的趨勢，這一結(jié)果與數(shù)值模擬相符，不同的是，實測圍巖變形量大于數(shù)值模擬結(jié)果，開采擾動、頂板下沉以及采空區(qū)的填充都是造成圍巖變形大的原因，但是圍巖變形量均在合理范圍內(nèi)，表明了支護方案可以有效控制離層現(xiàn)象的發(fā)生，巖層完整性的提高增加了細砂巖和砂質(zhì)泥巖共同抵抗變形的能力，減少了變形量。

圖4 工作面回采期間圍巖變形監(jiān)測

現(xiàn)場支護效果如圖5所示。由于巷道嚴格按照優(yōu)化方案施工并按規(guī)范進行操作，提高了支護和掘進工作的耦合性，巷道支護效果良好，確保了工作面的回采安全。

圖5 現(xiàn)場支護效果

4 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬分析了不同錨桿長度下圍巖的變形破壞情況，綜合考慮圍巖穩(wěn)定性、經(jīng)濟性，確定4 m長錨桿是最佳的支護選擇。

2）優(yōu)化后的支護方案控制圍巖變形效果明顯，掘進期間及工作面回采期間圍巖較為穩(wěn)定，塑性區(qū)得到有效控制。

3）4 m長錨桿支護使巖層形成連續(xù)承載的穩(wěn)定組合梁，提高了圍巖整體穩(wěn)定性，使巷道圍巖變形得到有效控制。