騰暉煤業(yè)托頂煤開拓大巷支護(hù)方案研究

翟 濤

（霍州煤電集團(tuán)河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 河津 043300）

1 工程概況

山西霍州煤電集團(tuán)騰暉煤業(yè)現(xiàn)階段回采2#煤層位于山西組下段上部，二采區(qū)煤層埋藏深度473～476 m，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層總厚5.06～5.18 m。二采區(qū)集中材料大巷位置如圖1，大巷沿2#煤層底板布置。巷道頂?shù)装鍘r層詳情見表1。托頂煤厚度1.3～2.5 m，掘進(jìn)斷面4.7 m×3.7 m，原設(shè)計(jì)的頂板支護(hù)采用錨網(wǎng)索，幫部采用錨網(wǎng)。為避免二采區(qū)開拓大巷在后期變形破壞、冒頂、片幫，確保礦井安全高效生產(chǎn)，展開圍巖有效控制技術(shù)的相關(guān)研究。

圖1 二采區(qū)集中材料大巷位置詳情

表1 巷道頂?shù)装鍘r層詳情

2 大巷圍巖破壞特征模擬分析

2.1 物理力學(xué)參數(shù)及數(shù)值模型建立

為掌握2#煤層及頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)條件，在集中材料大巷合適位置鉆取煤層及頂?shù)装鍘r層煤巖樣，運(yùn)輸至物理力學(xué)測試實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試件加工及力學(xué)測試。實(shí)驗(yàn)機(jī)型號為 SANS，測試項(xiàng)目主要有單軸抗壓、抗拉、抗剪等[1]，試驗(yàn)測試結(jié)果見表2。

表2 頂?shù)装逯饕獛r層力學(xué)參數(shù)

為探究支護(hù)參數(shù)變化對集中材料大巷圍巖控制效果的影響，以該巷道工作面地質(zhì)條件及原支護(hù)方案為基礎(chǔ)，通過FLAC3D軟件構(gòu)建了三維數(shù)值模型[2-4]。模擬采用莫爾-庫侖本構(gòu)，模型邊界尺寸長、寬、高=90 m、60 m、55 m，模型底面固定，四周設(shè)置水平位移限制條件，模型頂面設(shè)置等效載荷10 MPa。模型建立完成后開始運(yùn)算，最大不平衡力達(dá)到1×10-5MPa 得到初始應(yīng)力場，然后進(jìn)行集中材料大巷的開挖，矩形斷面寬4.7 m、高3.7 m。巷道初始支護(hù)參數(shù)：錨桿長2.0 m、直徑20 mm、間排距900 mm，錨索長度9.3 m、直徑17.8 mm、間排距1.8 m，每排2 根。

2.2 錨桿間距的確定

采用單一因素法對錨桿長度、間排距等參數(shù)逐一分析，以錨桿布置間排距為例，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果得到巷道圍巖垂直應(yīng)力分布如圖2。

圖2 不同間排距條件下頂板垂直應(yīng)力分布規(guī)律圖

根據(jù)圖2 可知，巷道開挖斷面不變的情況下，錨桿的數(shù)量與其間排距呈反比，錨桿支護(hù)條件下其周圍巖層內(nèi)壓應(yīng)力呈“類錐形”，錨桿尾部壓應(yīng)力最大，由尾部向端部逐漸減小，錨桿端部壓應(yīng)力最小。當(dāng)錨桿間排距為0.7 m、0.8 m 時(shí)，錨桿圍巖內(nèi)的“錐形”壓力區(qū)橫向互相重合、匯聯(lián)，在頂板巖層形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，即形成了錨桿組合壓力拱結(jié)構(gòu)，有利于頂板的穩(wěn)定。當(dāng)錨桿間排距為0.9 m 時(shí)，各個(gè)錨桿在圍巖內(nèi)形成的“錐形”高壓力區(qū)基本相互獨(dú)立，不能夠形成組合壓力拱結(jié)構(gòu)，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定。綜上，確定錨桿合理間排距0.8 m。同理得到錨桿合理長度2.2 m、直徑22 mm。

2.3 錨索布置方式確定

結(jié)合以往生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，頂板錨索設(shè)計(jì)以下四種布置方式：① 每排1 根，排距1.6 m；② “212”布置，間排距1.6 m；③ 每排2 根，間排距1.6 m；④ 每排3 根，間排距1.6 m。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到不同布置方案條件下頂板巖層垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖3 所示?？梢钥闯?，采用方式①時(shí)，錨索端部壓應(yīng)力最大，錨索圍巖壓應(yīng)力升高區(qū)寬度較窄，起不到良好的懸吊作用，不利于圍巖的穩(wěn)定；采用方案②時(shí)，錨索圍巖內(nèi)壓應(yīng)力升高區(qū)范圍較大，且在巷道走向上能夠交匯、疊加，便于形成頂板壓力拱，利于巷道頂板的穩(wěn)定；方案③、④條件下，圍巖壓應(yīng)力在走向上疊加范圍更大，支護(hù)效果更好，但是支護(hù)成本同步增加。由此可知，錨索采用方案②最為經(jīng)濟(jì)合理。同理確定頂板錨索合理長度為11.2 m。

圖3 錨索不同布置方式條件下頂板垂直應(yīng)力分布規(guī)律圖

3 大巷優(yōu)化支護(hù)方案

結(jié)合以往巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究結(jié)果，設(shè)計(jì)二采區(qū)集中材料大巷采用錨網(wǎng)索支護(hù)。頂錨桿使用Φ22 mm×2200 mm 高強(qiáng)錨桿，錨桿間排距為0.8 m，呈“六·六”矩形布置，使用4.5 m 的六眼桁架；錨索使用Φ17.8 mm×11 200 mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，“二一二”叉花布置，錨索間排距為1.6 m×1.6 m。幫部錨桿同頂板，采用“四·四”布置，鋪設(shè)桁架聯(lián)體。錨桿墊片選用拱形高強(qiáng)度托板，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，配調(diào)心球墊及減磨墊圈，每孔配Z2360 及CKb2340 錨固劑各一條；錨索采用規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm 拱形高強(qiáng)錨索托板，鎖具型號為MX 型，每孔配Z2360 及CKb2340 錨固劑各兩條。如圖4。

圖4 集中材料巷道支護(hù)示意圖（mm）

4 礦壓監(jiān)測

為摸清二采區(qū)集中材料大巷掘進(jìn)期間礦壓規(guī)律及支護(hù)方式的合理性[4]，有必要對二采區(qū)集中材料大巷掘進(jìn)期間的礦壓信息、受力狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分析。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，整理得到圖5 結(jié)果。圖5（a）所示巷道表面位移量變化曲線可以看出，巷道開挖15 d 后，圍巖形變速度漸漸減小，開挖支護(hù)約25 d 后漸漸穩(wěn)定，頂?shù)装逡平孔畲鬄?7 mm，兩幫移近量最大為46 mm，巷道表面變形量微?。粓D5（b）所示深部圍巖位移變化曲線可以看出，巷道頂板巖層變形隨著高度增大逐漸減小，頂板0～2 m 范圍內(nèi)巖層變形較明顯，頂板穩(wěn)定后最大變形量為25～39 mm，深度3～4 m 范圍內(nèi)巖層變形較小，最大為12～16 mm，在頂板離層合理界限之內(nèi)，頂板深度5 m 處相對位移量基本為零。由此表明，頂板深部巖層穩(wěn)定性良好，淺部巖層變形在合理允許范圍內(nèi)。圖5（c）、（d）所示錨桿、錨索載荷變化曲線可以看出，錨桿載荷自巷道開挖后逐漸增大后趨于穩(wěn)定，最大值為122 kN，其拉拔載荷一般可達(dá)150～160 kN，說明錨桿載荷能力仍有較多富余，頂板錨索最大載荷為185 kN，其破斷的荷載約為 300 kN，錨索載荷仍有較多富余。由此表明，巷道較為安全。綜上，二采區(qū)集中材料大巷采用上述錨網(wǎng)索支護(hù)方案，巷道圍巖穩(wěn)定性良好，能夠保障巷道的長久安全使用。

圖5 集中材料大巷礦壓綜合監(jiān)測結(jié)果

5結(jié)語

以騰暉煤業(yè)二采區(qū)集中材料大巷為背景，展開托頂煤施工支護(hù)方案優(yōu)化研究，通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)掌握巷道頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合巷道地質(zhì)條件建立三維數(shù)值模型。模擬研究確定頂板錨桿規(guī)格為直徑22 mm、長度2.2 m，合理間排距0.8 m，錨索直徑17.8 mm、長度11.2 m，合理布置方式“212”，間排距1.6 m。采用工程類比法并結(jié)合數(shù)值模擬研究結(jié)果設(shè)計(jì)二采區(qū)集中材料大巷支護(hù)方案，實(shí)地應(yīng)用期間礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，巷道表面變形微小，頂板巖層穩(wěn)定，錨桿、錨索載荷能力存在富余，該支護(hù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)巷道圍巖長期穩(wěn)定的要求。