動靜載荷疊加影響下的回采巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

劉 寧

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200）

1 概況

豹子溝礦41103 綜采工作面煤厚3.5～4.7 m，平均厚度4.0 m，直接頂為3.12 m 的泥巖，基本頂為11.88 m 的粉砂巖，底板為6.65 m 的鋁質(zhì)泥巖。41103 綜采面與41104 綜采面相鄰，41104 綜采面已回采完畢，兩工作面之間留設(shè)55 m 的保護(hù)煤柱。41103 工作面運輸巷原始支護(hù)方案為：頂板采用Φ20 mm×2000 mm 錨桿，間排距700 mm×800 mm；幫部采用Φ18 mm×2000 mm 的錨桿支護(hù)，間排距800 mm×800 mm。41103 工作面回采期間受相鄰工作面動壓和本煤層采動影響，現(xiàn)有的普通錨桿及支護(hù)參數(shù)無法滿足生產(chǎn)要求，主要表現(xiàn)為：錨桿錨固力普遍不高，存在錨桿錨固失效情況，部分巷道頂?shù)装遄畲笙鄬σ平?50 mm，經(jīng)過多次返修，巷道圍巖變形仍然嚴(yán)重，工程量大，經(jīng)濟效益低。

2 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對41103 工作面巷道圍巖分別在靜壓和動壓條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析[1-2]。數(shù)值計算采用莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則，變形模式為大變形。建立模型尺寸為長×寬×高=200 m×30 m×77 m，如圖1 所示，在模型上方施加覆巖重量對應(yīng)的應(yīng)力。

圖1 數(shù)值計算模型

1）靜壓條件下圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果

從圖2 和圖3 模擬結(jié)果可知，在靜壓條件下，41103 工作面運輸巷圍巖變形最大為底板的底鼓在58 mm 左右，其次是兩幫變形量在55 mm 左右，頂板下沉量為30 mm。根據(jù)圍巖位移分布曲線中拐點位置可知，在距巷道位置3 m 處位移突然變化，這與圍巖應(yīng)力分布曲線中結(jié)果一致，在該位置為應(yīng)力曲線峰值，在該范圍內(nèi)應(yīng)力隨距離的增加呈遞增趨勢，在3 m 之外，應(yīng)力曲線逐漸遞減直到穩(wěn)定，可以得出巷道圍巖變形主要在0～3 m 范圍內(nèi)。

圖2 巷道圍巖位移分布

圖3 巷道圍巖應(yīng)力分布

2）動壓條件巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果

41103 工作面運輸巷圍巖不僅受本煤層開采時采動影響，也受相鄰工作面開采的影響，兩者影響的疊加為該巷道最終圍巖變形破壞情況。相鄰工作面41104 工作面覆巖下沉穩(wěn)定過程中對41103 工作面運輸巷圍巖產(chǎn)生影響模擬如圖4。從數(shù)值模擬結(jié)果可知，頂?shù)装濉蓭途l(fā)生不同程度的變形，尤其左右兩幫10 m 范圍內(nèi)均發(fā)生了左移現(xiàn)象，最大移動量約110 mm。

圖4 巷道圍巖應(yīng)力分布曲線圖

相鄰工作面和本工作面開采對巷道圍巖變形的影響一般為疊加的，巷道圍巖的垂直應(yīng)力是相鄰工作面開采引起的側(cè)向支承壓力和超前支承壓力相互疊加，應(yīng)變也對應(yīng)為疊加[3-4]。從最終的模擬結(jié)果可知，由于靜壓和動壓共同作用下頂?shù)装?、兩幫相對移近量變形較大，頂?shù)装逑鄬σ平孔畲蟮竭_(dá)527 mm，頂板圍巖變形范圍超過10 m，兩幫相對移近量最大達(dá)到460 mm。

3 巷道圍巖支護(hù)設(shè)計研究

巷道支護(hù)設(shè)計的依據(jù)主要靠工程類比和理論計算等方法[5-6]。

工程類比法。要充分考慮巷道圍巖的穩(wěn)定性，通過表1 巷道頂板錨桿基本支護(hù)形式與參數(shù)指導(dǎo)進(jìn)行巷道支護(hù)參數(shù)選擇。根據(jù)41103 工作面運輸巷地質(zhì)力學(xué)參數(shù)等現(xiàn)場測試，可判斷其為Ⅱ類穩(wěn)定煤巷。

表1 巷道頂板錨桿基本支護(hù)形式與主要參數(shù)選擇

理論計算法。根據(jù)懸吊理論，錨桿長度可用以下公式（1）計算：

式中：L為錨桿長度，m；L1為錨桿外露長度，一般取0.15 m；L2為錨桿有效長度，不小于不穩(wěn)定巖層的厚度，m；L3為錨桿錨固長度，端部錨固一般取0.3～0.4 m。

頂板錨桿直徑的選擇根據(jù)其錨固力的大小，錨固力大小可根據(jù)以下公式（2）求得：

式中：Q為錨桿錨固力，MN；K為安全系數(shù)，一般取1.5～2 m；a1、a2為錨桿間排距，m；γ為不穩(wěn)定巖層平均重力密度，MN/m3。

頂板錨桿間排距可根據(jù)以下公式（3）求得：

根據(jù)實測數(shù)據(jù)可最終求得：頂板錨桿長度不小于2.25 m，頂板錨桿直徑18.2～21 mm，頂板錨桿間距700 mm。

幫部錨桿支護(hù)參數(shù)根據(jù)自然平衡拱理論計算可得，錨桿長度為3 m，間排距為700 mm。錨索長度的確定應(yīng)與錨桿支護(hù)形成的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，錨固在內(nèi)部穩(wěn)定巖層中，可計算為長7100 mm，直徑18.9 mm，間距1350 mm，排距800 mm。

結(jié)合礦井現(xiàn)場實際地質(zhì)條件，設(shè)計巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)，具體支護(hù)方案如下：頂板錨桿采用Φ20 mm×2300 mm 高強度螺紋鋼錨桿，錨索采用規(guī)格為Φ18.9 mm×7100 mm，錨桿布置的間距和排距分別為700 mm、800 mm，錨索間距為1350 mm，排距為700 mm，配套150 mm×150 mm×10 mm 的鼓形托板；兩幫采用Φ20 mm×3000 mm 高強度螺紋鋼錨桿，間距和排距均為800 mm；采用K2350和Z2350 兩種樹脂錨固劑進(jìn)行錨固。支護(hù)設(shè)計圖如圖5。

圖5 41103 工作面運輸巷支護(hù)參數(shù)（mm）

4 支護(hù)效果分析

現(xiàn)場施工后，布置測站對巷道圍巖的深部位移、巷道表面位移以及錨桿（索）受力情況進(jìn)行監(jiān)測，測站15 個，每個測站間隔20 m，部分結(jié)果如圖6。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明：1）巷道圍巖表面變形情況。采用“十”字交叉法布置的測點進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測，可知兩幫累計移近量最大16 mm，頂?shù)装逑鄬σ平孔畲?2 mm。2）圍巖深部位移監(jiān)測結(jié)果及頂板離層分析。測站所在位置深部圍巖位移量隨著工作面推進(jìn)呈增大趨勢，但位移量均較小，深基點最大離層為20 mm。3）錨桿（索）受力情況。錨桿（索）受力監(jiān)測可知，兩幫錨桿（索）受力主要受拉應(yīng)力，頂部大多數(shù)受力為壓應(yīng)力，所有的錨桿（索）受的軸力處于最大屈服載荷以下，說明所選擇的錨桿（索）桿體強度滿足要求。

圖6 1#深基點位移計觀測結(jié)果圖

5 結(jié)論

41103 工作面運輸巷回采期間，不僅受到本工作面回采的影響，還受到相鄰工作面回采后的影響，回采巷道變形嚴(yán)重。采用理論分析、數(shù)值模擬分別研究了靜壓、動壓對巷道的影響，根據(jù)工程類比經(jīng)驗提出高強度螺紋鋼錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)，并應(yīng)用于現(xiàn)場。通過現(xiàn)場監(jiān)測，新支護(hù)技術(shù)很好地控制了圍巖變形，杜絕了巷道返修，為相似回采條件的巷道支護(hù)提供寶貴的經(jīng)驗。