前灣煤業(yè)2S201工作面回采巷道支護(hù)應(yīng)用分析

高鐵柱

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭前灣煤業(yè)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042103）

1 工程概況

臨汾市前灣煤業(yè)S2盤區(qū)是一個(gè)全新的盤區(qū)，2S201首采工作面回采巷道初步設(shè)計(jì)仍沿用以往其他盤區(qū)的支護(hù)方案。2S201綜采工作面運(yùn)輸順槽長度935 m，運(yùn)輸順槽口至回風(fēng)大巷南側(cè)長度為45 m，停采線為40 m，可回采長度850 m。2#煤層厚度2.8～3.38 m，回采巷道在掘進(jìn)期間運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽均無斷層和陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造。目前，礦井回采巷道現(xiàn)有支護(hù)方案存在一次支護(hù)密度過大、施工效率低、掘進(jìn)速度慢等問題；礦井高強(qiáng)度生產(chǎn)與工作面準(zhǔn)備時(shí)間較長的問題日益突出。因此，以2S201工作面運(yùn)輸順槽（以下簡稱運(yùn)輸順槽）為工程實(shí)例，擬對(duì)其支護(hù)方案進(jìn)行改進(jìn)，以求在保證支護(hù)效果的前提下降低支護(hù)成本、提高掘進(jìn)速率。

2 巷道圍巖強(qiáng)度測試

2.1 測試方法

為具體掌握運(yùn)輸順槽圍巖的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)等方面特征，在巷道開口段對(duì)巷道圍巖強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測。圍巖強(qiáng)度測試采用鉆孔測試法，其測試方法如圖1（a）所示，測試地點(diǎn)為試驗(yàn)巷道內(nèi)，在需要測試的巖層內(nèi)施工鉆孔；測試時(shí)首先將探頭放入鉆孔內(nèi)，然后通過壓力泵將高壓油輸送至探頭內(nèi)，探頭由于壓力作用將伸出指針，指針地伸出量可通過指示器讀?。怀掷m(xù)加大油壓，直至鉆孔孔壁破裂，指示器會(huì)讀到一個(gè)臨界值（Pm），通過相應(yīng)的換算即可得到此處圍巖的抗壓強(qiáng)度。圍巖結(jié)構(gòu)采用鉆孔窺視法進(jìn)行直觀的觀測，其設(shè)備組成如圖1（b）所示，全景鉆孔窺視儀可直接得到鉆孔孔壁柱狀圖影像［1］。

圖1 圍巖強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)測試

2.2 測試分析

測點(diǎn)布置在運(yùn)輸順槽開口處，圍巖強(qiáng)度測試鉆孔深度為10 m，分別對(duì)頂板巖層和兩幫進(jìn)行測試，給出典型的測試結(jié)果如圖2所示。頂板巖層厚度10 m范圍內(nèi)可分為三個(gè)層次，淺部圍巖（0～2.4 m）為泥巖，平均強(qiáng)度為26.72 MPa，中部圍巖（2.4～6.6 m）為泥質(zhì)砂巖，平均強(qiáng)度為41.27 MPa，深部圍巖（6.6～10 m）細(xì)砂巖，平均強(qiáng)度93.84 MPa。通過現(xiàn)場窺視結(jié)果表明，巷道頂板巖層0～2 m范圍內(nèi)存在較多的裂隙，巖體較破碎、整體性較差；深度2～6 m范圍內(nèi)存在少數(shù)裂隙，圍巖的完整性相對(duì)提高；深度6～10 m，基本沒有明顯的裂隙，巖層完整性良好；巷道兩幫圍巖深度0～1.5 m范圍內(nèi)裂隙較發(fā)育，深度1.5～10 m范圍內(nèi)裂隙數(shù)量極少。根據(jù)現(xiàn)場圍巖強(qiáng)度、測試結(jié)果可知，2S201運(yùn)輸順槽圍巖條件良好，具備支護(hù)方案優(yōu)化的條件。

圖2 圍巖強(qiáng)度測試結(jié)果

3 支護(hù)參數(shù)模擬分析

運(yùn)輸順槽采用錨網(wǎng)索支護(hù)，其中錨桿、錨索支護(hù)密度、規(guī)格是影響圍巖控制效果、掘進(jìn)速度、經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素［2-3］，合理的參數(shù)設(shè)置不僅能夠保障工作面正常生產(chǎn)的需要，同時(shí)還能降低支護(hù)成本、縮短施工時(shí)間［4］。因此，為確定2S201運(yùn)輸順槽最為合理的支護(hù)參數(shù)，采用FLAC3D軟件建立與巷道地質(zhì)條件相對(duì)應(yīng)的力學(xué)模型，探究錨桿、錨索長度、直徑、布置間距等因素對(duì)支護(hù)效果的影響。計(jì)算模型范圍長300 m×寬200 m×高70 m，巷道斷面尺寸寬5.5 m×高3.8 m，工作面推進(jìn)長度250 m，首先模擬回采巷道的開挖支護(hù)，再進(jìn)行工作面的回采，然后觀察超前工作面10 m處巷道圍巖的變形情況。

對(duì)錨桿長度、錨索長度進(jìn)行模擬分析。運(yùn)輸順槽初始支護(hù)參數(shù)為：頂板、兩幫錨桿直徑22 mm、長度2.4 m，間排距1.0 m，頂板錨索直徑21.6 mm，長度8 300 mm，間排距為2.0 m。采用單一因素法對(duì)頂板錨桿長度進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)錨桿長度為2.0～2.6 m，通過模擬計(jì)算得到不同錨桿長度條件下，工作面回采100 m時(shí)超前工作面5 m處圍巖變形量如圖3（a）所示。由圖3（a）可知：當(dāng)頂板錨桿長度由2.0 m增大至2.4 m，頂板下沉量減小了83 mm，煤幫變形量分別減小47 mm左右，底板底鼓量減小21 mm，說明通過提高頂板錨桿長度可提高圍巖穩(wěn)定性；當(dāng)頂板錨桿由2.4 m增大至2.6 m，頂板下沉量減小約12 mm，兩幫變形量約各減小11 mm，變形量減小幅度縮減明顯，表明進(jìn)一步增大頂板錨桿長度對(duì)于圍巖穩(wěn)定性的影響不大，因此可確定頂板錨桿最佳長度為2.4 m；同理可確定頂板錨索長度為7.3 m。

圖3 不同支護(hù)參數(shù)下圍巖變形量

通過上述模擬分析已確定錨桿、錨索單一參數(shù)的長度合理值，為確定錨桿、錨索布置的最優(yōu)方案，參考地質(zhì)條件相似的回采巷道支護(hù)方案，初步設(shè)計(jì)以下5種錨桿、錨索布置方案：

方案1：頂板5根，兩幫各4根，間排距1.2 m×1.2 m，錨索每排1根，排距3.6 m。

方案2：頂板6根，兩幫各4根，間排距1.0 m×1.2 m，錨索每排兩根，間排距2.0 m×3.6 m。

方案3：頂板6根，兩幫各4根，間排距1.0 m×1.0 m，錨索每排兩根，間排距2.0 m×2.0 m。

方案4：頂板7根，兩幫各4根，間排距0.9 m×0.9 m，錨索每排兩根，間排距2.0 m×1.8 m。

方案5：頂板7根，兩幫各5根，間排距0.9 m×0.9 m，錨索每排3根，間排距1.8 m×1.8 m。

通過模擬分析得到各支護(hù)方案下圍巖變形量，整理得到如圖3（b）所示結(jié)果，可以看出，巷道表面變形量隨著支護(hù)密度的增大而表現(xiàn)為減小趨勢，方案2條件下圍巖變形量相對(duì)于方案1顯著減小，而方案3、4、5條件下，巷道表面變形量減小量微小，且方案2條件下，回采巷道在工作面生產(chǎn)期間表面變形量已處于較低水準(zhǔn)，因此確定最佳的支護(hù)方案為方案2。

4 支護(hù)方案優(yōu)化

結(jié)合運(yùn)輸順槽地質(zhì)條件及數(shù)值模擬研究結(jié)果，設(shè)計(jì)其支護(hù)如圖4所示，具體支護(hù)參數(shù)為：頂板及煤柱幫錨桿?22 mm×2 400 mm，桿體鋼號(hào)BHRB500，錨桿間排距為1.0 m×1.2 m，回采幫錨桿采用?20 mm×2 000 mm的圓鋼錨桿，每排共支護(hù)14根錨桿，鋼筋托梁采用16 mm圓鋼焊制；頂板和煤柱幫采用菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)格為50 mm×50 mm；實(shí)體煤幫網(wǎng)片采用礦用塑料編織成的塑料網(wǎng)或菱形網(wǎng)，頂板錨索規(guī)格為?18.9-L 7 300 mm，采用“二二”布置，間排距2.0 m×3.6 m，每根錨索選用一支K2335兩支Z2360錨固劑錨固。

5 應(yīng)用效果

在運(yùn)輸順槽掘進(jìn)及服務(wù)回采期間采用十字布點(diǎn)法觀測表面變形情況，結(jié)果如圖5所示：掘巷期間，在距迎頭約60 m處頂?shù)装遄冃瘟块_始穩(wěn)定不變，距迎頭約100 m處兩幫變形開始穩(wěn)定，掘巷期間兩幫變形量及頂?shù)装遄冃瘟课⑿?，圍巖穩(wěn)定性良好；服務(wù)于工作面回采期間，直至工作面回采至測點(diǎn)位置，兩幫移近量及頂?shù)装逡平烤∮?00 mm，完全能夠滿足使用的要求，綜上可知，所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案圍巖控制效果良好。優(yōu)化后的支護(hù)方案與原支護(hù)方案相比，每100 m可節(jié)省支護(hù)材料有：規(guī)格?22-2400 mm的錨桿100根，規(guī)格SKP22-1/1720-7300的錨索約46根，掘進(jìn)速度相交于原方案提高了約30%，同時(shí)顯著降低了巷道的支護(hù)成本，對(duì)于指導(dǎo)后續(xù)回采巷道的支護(hù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

圖4 2S201運(yùn)輸順槽優(yōu)化支護(hù)方案

圖5 礦壓監(jiān)測結(jié)果

6 結(jié)語

通過對(duì)2S201運(yùn)輸順槽開口處圍巖進(jìn)行強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)實(shí)測，掌握了圍巖的強(qiáng)度和裂隙發(fā)育特征，表明地質(zhì)條件良好，具備對(duì)巷道支護(hù)方案優(yōu)化的條件。通過數(shù)值模擬研究，確定不同支護(hù)參數(shù)對(duì)于2S201運(yùn)輸順槽圍巖穩(wěn)定性的影響，決定采用錨桿最佳長度2.4 m，錨索最佳長度7.3 m等參數(shù)，并確定錨桿、錨索的最優(yōu)布置方案。2S201運(yùn)輸順槽支護(hù)優(yōu)化應(yīng)用后，經(jīng)礦壓觀測表明，優(yōu)化后的方案圍巖控制效果良好，與原支護(hù)方案相比，從經(jīng)濟(jì)、安全等方面均有顯著優(yōu)勢，可在后續(xù)工作面回采巷道推廣使用。