8220 孤島工作面內(nèi)錯(cuò)尾巷強(qiáng)化支護(hù)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

杜曉歡

（晉能控股集團(tuán)宏泰公司，山西 大同 037000）

晉能控股集團(tuán)塔山礦8220 工作面屬于孤島綜放工作面，開(kāi)采中運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽受強(qiáng)烈采動(dòng)影響，采用傳統(tǒng)的支護(hù)手段，該工作面巷道處于變形-修復(fù)-變形的惡性循環(huán)中[1]。因此，急需對(duì)8220 工作面內(nèi)錯(cuò)尾巷進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，并對(duì)其效果進(jìn)行綜合評(píng)估。

1 8220 工作面內(nèi)錯(cuò)尾巷支護(hù)現(xiàn)狀分析

8220 工作面內(nèi)錯(cuò)尾巷的斷面形狀為矩形，內(nèi)錯(cuò)尾巷前段的高度為2.2 m，寬度為4.0 m，內(nèi)錯(cuò)尾巷后段的高度為2.2 m，寬度為3.1 m，采用錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)的方式，支護(hù)效果如圖1。

圖1 內(nèi)錯(cuò)尾巷支護(hù)現(xiàn)狀（mm）

內(nèi)錯(cuò)尾巷頂板采用直徑為20 mm、長(zhǎng)度為2000 mm 的螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1800 mm×800 mm，每排分別布置3 根錨桿；采用直徑為21.6 mm、長(zhǎng)度為5300 mm 的鋼絞線，錨索間排距為1800 mm×800 mm，每排分別布置2 根錨索；內(nèi)錯(cuò)巷兩幫采用直徑為20 mm、長(zhǎng)度為2000 mm 的圓鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為1000 mm×800 mm。

由于8220 工作面屬于孤島工作面，在當(dāng)前支護(hù)狀態(tài)下，8220 工作面順槽圍巖變形量大、變形速度較快、四周來(lái)壓明顯[2]。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，8220工作面順槽在實(shí)際開(kāi)采中受到采動(dòng)的影響，頂板最大下沉量可達(dá)0.5 m，底板最大底鼓量可達(dá)1.0 m，兩幫移近量平均在0.8 m 以上，該工作面巷道變形最嚴(yán)重的時(shí)候出現(xiàn)了頂?shù)装宓拈]合情況[3]。

2 8220 工作面內(nèi)錯(cuò)尾巷強(qiáng)化支護(hù)設(shè)計(jì)

綜合對(duì)8220 工作面內(nèi)錯(cuò)尾巷當(dāng)前支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖的變形特征以及原因分析的基礎(chǔ)上，擬通過(guò)采用高強(qiáng)度混凝土支護(hù)將頂板的壓力直接傳遞至底板，從而減小對(duì)兩幫的承載[4]。

2.1 混凝土支護(hù)承載能力核算

根據(jù)8220 工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，要求混凝土支柱承受的最大載荷不得小于式（1）計(jì)算結(jié)果：

式中：γ為8220 工作面內(nèi)錯(cuò)尾巷頂板的巖石容重，取值為25 kN/m3；h為8220 工作面內(nèi)錯(cuò)尾巷頂板的離層厚度，取值為7.8 m；b為8220 工作面內(nèi)錯(cuò)尾巷的平均跨度，取值為2.4 m。

將上述參數(shù)代入式（1）中，同時(shí)考慮到1.5 倍的安全系數(shù)，要求混凝土支柱所承受的最大載荷不得小于1852 kN×1.5=2808 kN。

2.2 混凝土支柱承載面積的確定

采用圓柱形混凝土支柱對(duì)8220 工作面內(nèi)錯(cuò)巷進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，預(yù)估算出圓柱形混凝土支柱的半徑在0.15～0.3 m 之間。

分別對(duì)圓柱形混凝土支柱半徑為0.25 m、0.26 m、0.27 m、0.28 m、0.29 m 和0.30 m 在相同載荷作用下的承載能力進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同半徑混凝土支柱的承載效果

（1）當(dāng)半徑為0.25 m 時(shí)，混凝土支柱在離層頂板的作用下出現(xiàn)了縱橫交錯(cuò)的裂紋且相互貫通，失去承載能力。

（2）當(dāng)半徑為0.26 m、0.27 m 和0.28 m 時(shí)，混凝土支柱在離層頂板的作用下出現(xiàn)了縱橫交錯(cuò)的裂紋且相互貫通，混凝土支柱的強(qiáng)度明顯下降，幾乎失去承載能力。

（3）當(dāng)半徑為0.29 m 時(shí)，混凝土支柱在離層頂板的作用下出現(xiàn)了縱橫交錯(cuò)的裂紋且相互貫通，混凝土支柱的強(qiáng)度下降，幾乎失去承載能力。

（4）當(dāng)半徑為0.30 m 時(shí)，混凝土支護(hù)內(nèi)部未出現(xiàn)裂紋，具備足夠的承載能力。

綜上所述，最終確定混凝土支柱的半徑不得小于0.30 m。根據(jù)8220 工作面內(nèi)錯(cuò)巷的高度，確定混凝土支柱高度為2.2 m。

3 強(qiáng)化支護(hù)效果

3.1 強(qiáng)化支護(hù)數(shù)值模擬

（1）數(shù)值模擬仿真模型建立。根據(jù)8220 工作面的現(xiàn)場(chǎng)情況，基于FLAC3D軟件構(gòu)建內(nèi)錯(cuò)尾巷工作面模型[6]，如圖3。

圖3 內(nèi)錯(cuò)尾巷數(shù)值模擬仿真模型

以圖3 所構(gòu)建的數(shù)值模擬仿真模型為基礎(chǔ)，將整個(gè)模型劃分為487 200 個(gè)單元，其中包含有511 830 個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)8220 工作面的現(xiàn)場(chǎng)情況，為模型施加15 MPa 的均布載荷為上邊界；下邊界取u=v=0；左右邊界為單約束邊界，其中u=0，v≠0[4]。對(duì)該工作面內(nèi)錯(cuò)尾巷的圍巖參數(shù)在模型中進(jìn)行設(shè)置，包括容重24 000 N/m3、彈性模量5.04 GPa、泊松比0.204、內(nèi)摩擦角30°、抗拉強(qiáng)度60 MPa 等[7]。

（2）數(shù)值模擬仿真結(jié)果分析?；趫D3 建立的內(nèi)錯(cuò)巷數(shù)值模擬仿真模型，對(duì)采用強(qiáng)化支護(hù)前后工作面內(nèi)錯(cuò)尾巷的變形情況進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

如表1 所示，在原支護(hù)方案下對(duì)應(yīng)頂?shù)装逡平繛?210 mm，左右兩幫移近量為650 mm。采用強(qiáng)化支護(hù)措施后，頂?shù)装逡平績(jī)H為420 mm，較原支護(hù)方案減少65%；兩幫移近量?jī)H為260 mm，較原支護(hù)方案減少60%。

表1 強(qiáng)化支護(hù)手段實(shí)施前后的內(nèi)錯(cuò)尾巷的變形對(duì)比

3.2 強(qiáng)化支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將所設(shè)計(jì)的混凝土支柱強(qiáng)化支護(hù)措施在8220工作面實(shí)施后[8]，在內(nèi)錯(cuò)尾巷內(nèi)布置4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)巷道的實(shí)際變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中，距離工作面開(kāi)切眼600 m 的位置布置1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在距離1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)17.6 m 的位置布置2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在距離1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)31.2 m 的位置布置3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在距離1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)51.2 m 的位置布置4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)。以1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，在開(kāi)采期間，隨著工作面的推進(jìn)對(duì)應(yīng)頂?shù)装搴蛢蓭鸵平勘O(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4。

圖4 1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂?shù)装寮皟蓭鸵平侩S工作面推進(jìn)的變化

綜合對(duì)2#、3#以及4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂?shù)装搴蛢蓭鸵平繑?shù)據(jù)分析，可以得出：對(duì)內(nèi)錯(cuò)尾巷進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面收縮率較原有支護(hù)手段減少26%，并且混凝土支護(hù)未插入底板中。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)晉能控股集團(tuán)塔山礦8220 孤島工作面在開(kāi)采期間受到相鄰工作面采動(dòng)的影響，當(dāng)前支護(hù)手段不足以對(duì)圍巖進(jìn)行有效控制，導(dǎo)致內(nèi)錯(cuò)尾巷圍巖穩(wěn)定性差，采用混凝土支柱對(duì)原內(nèi)錯(cuò)巷進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，總結(jié)如下：

（1）8220 工作面在實(shí)際開(kāi)采中受到采動(dòng)的影響，頂板最大下沉量可達(dá)0.5 m，底板最大底鼓量可達(dá)1.0 m，兩幫移近量平均在0.8 m 以上。

（2）確定混凝土支柱的半徑為0.30 m，混凝土支柱高度為2.2 m。

（3）對(duì)工作面進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)后，經(jīng)數(shù)值模擬分析：混凝土支柱強(qiáng)化支護(hù)下，頂?shù)装逡平枯^原支護(hù)方案減少65%，兩幫移近量較原支護(hù)方案減少60%。

（4）實(shí)踐表明，混凝土支柱強(qiáng)化支護(hù)后，收縮率較原有支護(hù)手段減少26%，并且工作面未出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，混凝土支護(hù)未插入底板中。