古城煤礦大跨度動壓巷道支護(hù)技術(shù)研究

王鵬宇

（山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)） 有限責(zé)任公司 古城煤礦，山西 長治 046000）

0 引 言

近年來，伴隨煤炭資源高強(qiáng)度大規(guī)模開采，引起的支護(hù)問題也隨之顯現(xiàn)[1-4]，尤其對于動壓巷道，其支護(hù)難度愈加增大[5-7]。對于大跨度受動壓影響的巷道圍巖控制技術(shù)，國內(nèi)學(xué)者做了大量的研究，李沖等[8]針對大跨度切眼，提出“雙微拱斷面”為主體，配合錨網(wǎng)索，加之單體液壓支柱，形成了大跨度巷道減跨有效的控制技術(shù)；牛少卿等[9]以煤巷層狀特征頂板作為研究對象，分析了層狀結(jié)構(gòu)頂板特征，表明其易發(fā)生剪切破壞并給出破壞機(jī)理；李登屹[10]以大跨度動壓巷道為研究目標(biāo)，分析其特殊的變形、破壞特征；劉奎[11]針對大跨度切眼巷道，由于其頂板下沉量大、深部離層嚴(yán)重等礦壓顯現(xiàn)的存在，分析其維護(hù)中存在的特點(diǎn)，針對其特性給出相應(yīng)的技術(shù)。本文主要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，針對古城煤礦北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷，利用數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等手段，分析了在巷道跨度不同以及側(cè)壓系數(shù)的不斷增加的條件下，巷道的變形、塑性破壞面積以及應(yīng)力變化的規(guī)律，結(jié)合其規(guī)律通過大跨度巷道類型劃分，提出適用于大跨度巷道的高強(qiáng)經(jīng)濟(jì)支護(hù)原理，基于此給出試驗(yàn)巷道的優(yōu)化支護(hù)方案，進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，分析實(shí)測規(guī)律。

1 概 況

古城煤礦位于山西省長治市屯留區(qū)，以3 號煤為主采煤層，平均6.05 m，煤層傾角7°，煤層頂板為砂巖、泥巖，底板與頂板一致。北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷布置如圖1 所示。受到N3301 工作面回采動壓影響，北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷為矩形斷面，掘?qū)? 300 mm，掘高4 950 mm，整體支護(hù)方式采用錨網(wǎng)+噴漿的形式。頂板支護(hù)錨桿直徑為22 mm，長度為2 400 mm，間距800 mm，排距1 000 mm；幫部錨桿間排距725 mm×1 000 mm；錨索直徑22 mm，長度8 300 mm，4-5-4 布置方式，間排距為1 200 mm×1 000 mm，除肩角、幫角外斜15°，剩余垂直安裝。

圖1 北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷布置示意Fig.1 Location of north three panel auxiliary transport roadway

2 大跨度巷道圍巖應(yīng)力與變形特征分析

大跨度巷道圍巖應(yīng)力與變形特征和巷道的跨度以及采動應(yīng)力密切相關(guān)，因此需對不同跨度、不同側(cè)壓系數(shù)條件下，巷道應(yīng)力與變形特征進(jìn)行分析。

2.1 模型建立

根據(jù)古城煤礦工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D 有限元模擬，考慮邊界影響效應(yīng)，模型尺寸為45 m×50 m×82 m，模型共有24 000 個單元，如圖2 所示。模型為摩爾庫倫，沿頂掘巷，支護(hù)方式為錨桿（索） 支護(hù)，上覆巖層等效面力大小為18.75 MPa。巷道埋深500 m，側(cè)壓系數(shù)λ 分別取0.5、1.0、1.5、2.0，在原支護(hù)基礎(chǔ)上，研究巷道跨度Bhd為4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10 m 時，其塑性區(qū)、第一主應(yīng)力、圍巖變形規(guī)律。

圖2 數(shù)值模擬模型圖Fig.2 Numerical simulation model

2.2 模擬結(jié)果分析

圖3 為隨著巷道的跨度增加，λ 的增大，巷道圍巖礦壓變化曲線。模擬結(jié)果表明，巷道圍巖塑性區(qū)隨跨度、λ 增大而變大，特別是頂板及兩肩角部位塑性區(qū)發(fā)育范圍變化較大，其余基本不發(fā)生變化；第一主應(yīng)力隨巷道跨度、λ 增大均勻增大，第一主應(yīng)力集中區(qū)域不斷增大，頂板的集中程度最大；巷道變形隨跨度和λ 增大不斷變大，兩幫的變化幅度遠(yuǎn)不及頂板。

根據(jù)巷道跨度不同、λ 不同，巷道圍巖礦壓分布規(guī)律和對應(yīng)的支護(hù)要求，給出大跨度巷道的類型。以古城煤礦工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ≤1 時，將巷道跨度大于或等于5.5 m 的巷道稱為大跨度巷道；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ＞1 時，將巷道跨度大于或等于5 m 的巷道稱為大跨度巷道。巷道分類見表1。

表1 巷道類型劃分Table 1 Roadway type division

3 大跨度巷道控制技術(shù)與方案

3.1 支護(hù)原則

根據(jù)古城北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷具體條件，按照大跨度巷道高強(qiáng)度經(jīng)濟(jì)支護(hù)原則，在實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定的前提下，支護(hù)材料使用最少，剛好滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度需要。

3.2 低密度高強(qiáng)度支護(hù)方案

圖4 為北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷優(yōu)化后的支護(hù)方案。錨桿采用MSGLW500/φ22 mm×2 400 mm，短錨索采用φ22 mm×5 300 mm，每排3+4 布置，3 為短錨索個數(shù)，4 為錨桿個數(shù)，間排距為800 mm×1 000 mm，除肩角、幫角以及底角錨桿外斜15°，其余垂直打設(shè)。長錨索采用φ22 mm×8 300 mm，2-3-2 布置，間排距為2 400 mm×1 000 mm。

圖4 北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷支護(hù)優(yōu)化方案Fig.4 Support optimization scheme of north three panel auxiliary transport roadway

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

結(jié)合大跨度巷道高強(qiáng)度支護(hù)方案，將新方案應(yīng)用在輔運(yùn)大巷，通過對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷支護(hù)效果較好，主要變形發(fā)生在5 ～20 d，優(yōu)化支護(hù)方案取得顯著成效（圖5）。

圖5 圍巖變形曲線Fig.5 Deformation curve of surrounding rock

5 結(jié) 論

（1） 根據(jù)巷道跨度不同、λ 不同，巷道圍巖礦壓分布規(guī)律和對應(yīng)的支護(hù)需要，劃分出大跨度巷道的類型。

（2） 提出大跨度巷道高強(qiáng)度支護(hù)與控制技術(shù)，并給出優(yōu)化新方案，進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，巷道變形小，控制效果顯著。