松散破碎全煤準(zhǔn)備巷道圍巖控制技術(shù)研究

孟 超

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊煤礦，山西 霍州 031412）

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 號煤層位于山西組下段上部，煤層總厚5.06～5.18 m。三采區(qū)回風(fēng)巷布置于2 號煤層三采區(qū)，掘進(jìn)期間需按順序依次穿過原海圣、豐鑫源、老大灣、老小灣、小灣溝等5 座小煤窯采掘活動區(qū)域的4 采空區(qū)：CK2-11 采空區(qū)（采空面積206 834 m2）、原海圣主要積水巷道、CK2-8 采空區(qū)（采空面積55 074 m2）、CK2-7（采空面積409 206 m2）。三采區(qū)回風(fēng)巷服務(wù)三采區(qū)回風(fēng)，設(shè)計長度為2173 m，正常掘進(jìn)期間沿煤層頂板掘進(jìn)，過采空區(qū)、空巷特殊區(qū)域以6°上山施工。巷道沿煤層底板布置，頂?shù)装鍘r層詳情見表1。

表1 三采區(qū)回風(fēng)巷頂?shù)装鍘r層詳情

2 三采區(qū)回風(fēng)巷支護(hù)及變形現(xiàn)狀

三采區(qū)回風(fēng)巷采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，支護(hù)詳情見圖1（a）。巷道開挖凈寬4.8 m，直墻高度1.2 m，半圓拱高2.4 m。

三采區(qū)回風(fēng)巷自2021 年8 月掘進(jìn)初期，采用十字交叉法監(jiān)測圍巖表面變形情況。1#測點的觀測工作從8 月17 日開始，巷道開挖支護(hù)完成后表面變形位移量變化曲線如圖1（b）所示。巷道開挖0～20 d 范圍內(nèi)，表面變形量持續(xù)增大，頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平恳堰_(dá)到140 mm 以上，巷道表面變形較大，且圍巖無明顯趨于穩(wěn)定的趨勢。表明當(dāng)前支護(hù)強度不足，安全狀況欠佳，需采取更為合理有效的支護(hù)工藝及方案。

3 支護(hù)參數(shù)模擬研究及優(yōu)化

3.1 建立數(shù)值模型

為探究不同支護(hù)參數(shù)變化對于三采區(qū)回風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定性的影響，以該巷道工作面地質(zhì)條件及原支護(hù)方案為基礎(chǔ)，借助UDEC 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究[1-2]。模型邊界尺寸寬、高分別為80 m、115 m，模型底面固定，左右邊界設(shè)置水平位移限制條件，模型頂面設(shè)置為地層的等效載荷10 MPa，巖層采用摩爾-庫倫模型。各地層參數(shù)詳見表2。

表2 三采區(qū)回風(fēng)巷頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)表

3.2 錨桿長度優(yōu)化研究

為確定最為合理的錨桿支護(hù)參數(shù)，采用單一因素法分別進(jìn)行錨桿長度、直徑、布置方式的模擬研究分析。首先建立不同錨桿長度條件下的模擬方案，錨桿長度設(shè)計為1.8～2.4 m，得到塑性區(qū)分布情況如圖2。“*”表示該單元體正在屈服單元，“×”表示該單元體已經(jīng)屈服單元。統(tǒng)計各方案條件下圍巖塑性破壞深度及表面變形量模擬結(jié)果，結(jié)果詳見表3。

圖2 錨桿不同長度條件下圍巖塑性區(qū)分布

表3 模擬結(jié)果統(tǒng)計詳表

根據(jù)圖2 及表3 所示模擬研究結(jié)果分析可知，錨桿長度在1.8～2.4 m 范圍內(nèi)變化時，對于巷道頂板巖層控制效果較好，兩幫及底板塑性破壞范圍較大；錨桿長度由1.8 m 增大到2.0 m 時，圍巖塑性破壞范圍減小幅度較大，表面變形量減小也相對明顯；錨桿長度繼續(xù)增大為2.2 m、2.4 m，各項數(shù)據(jù)小幅度漸緩，圍巖控制效果提升較弱。綜上確定錨桿合理長度為2.0 m，同理得到錨桿直徑20 mm、間排距0.8 m。

3.3 底板支護(hù)分析

底板支護(hù)方案設(shè)計：方案一，反底拱支護(hù)；方案二，反底拱+錨注，注漿錨桿直徑22 mm、長度1.4 m，間排距1.6 m。模擬得到圍巖塑性區(qū)分布情況如圖3。

采用反底拱支護(hù)方式時，巷道兩幫及底角斜下方圍巖塑性破壞深度相對無支護(hù)條件下明顯減小，底板中部底鼓量為144.3 mm，底鼓量明顯減小，但是仍然較大，且底板下方及兩幫下方圍巖塑性破壞深度和范圍較大，不利于巷道圍巖的整體穩(wěn)定；采用反底拱錨注聯(lián)合支護(hù)時，巷道兩幫及底角斜下方向位移塑性破壞深度顯著減小，底板底鼓量最大為47.5 mm，圍巖控制效果明顯。由此確定底板采用反底拱錨注聯(lián)合支護(hù)方式。

4 三采區(qū)回風(fēng)巷優(yōu)化支護(hù)方案

結(jié)合騰暉煤業(yè)以往巷道支護(hù)經(jīng)驗及數(shù)值模擬研究結(jié)果，優(yōu)化三采區(qū)回風(fēng)巷錨網(wǎng)索+反底拱錨注聯(lián)合支護(hù)方案。頂幫錨桿使用Φ20 mm×2000 mm 高強錨桿，錨桿間排距為0.8 m，每排12 根；錨索使用Φ15.24 mm×7000 mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，“202”布置，錨索間排距為1600 mm×1600 mm。其中錨桿選用拱形高強度托板，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；錨索每孔配Z2360 及CKb2340 錨固劑各兩條。注漿錨桿直徑22 mm、長度1400 mm，間排距1600 mm，注漿材料為高水速凝材料，水灰比為1.5:1。具體支護(hù)形式如圖4。

圖4 三采區(qū)回風(fēng)巷優(yōu)化支護(hù)方案（mm）

5 礦壓綜合監(jiān)測

為摸清騰暉煤業(yè)三采區(qū)回風(fēng)巷采用優(yōu)化支護(hù)方案掘進(jìn)期間礦壓規(guī)律及支護(hù)方式的合理性，對三采區(qū)回風(fēng)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[3]，整理得到圖5 所示結(jié)果。分析可知，巷道開挖15 d 后，圍巖形變速度漸漸減小，約25 d后漸漸穩(wěn)定，頂?shù)装逡平?4 mm、兩幫移近量58 mm，較原支護(hù)減小50%以上。根據(jù)圖5（b）所示錨桿載荷變化曲線可以看出，在2～3 d 后受力狀態(tài)明顯增加，10 d 之后增速放緩，15 d 之后基本穩(wěn)定，錨桿載荷穩(wěn)定在55～65 kN 之間，錨桿和圍巖已經(jīng)共同形成承載結(jié)構(gòu)。綜上，三采區(qū)回風(fēng)巷采用優(yōu)化支護(hù)方案掘巷期間圍巖穩(wěn)定性良好，預(yù)計能夠保障巷道的長久安全使用。

圖5 三采區(qū)回風(fēng)巷礦壓綜合監(jiān)測結(jié)果

6 結(jié)語

騰暉煤業(yè)三采區(qū)回風(fēng)巷初期掘進(jìn)期間采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，巷道圍巖變形速度快、持續(xù)時間長，支護(hù)強度不足。借助UDEC 數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，對支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析優(yōu)化，確定錨網(wǎng)索噴支護(hù)具體參數(shù)，優(yōu)選底板采用反底拱錨注聯(lián)合支護(hù)方案。針對實施方案進(jìn)行現(xiàn)場觀測，圍巖變形量相對于原支護(hù)減小50%以上，錨桿工作性能良好，圍巖穩(wěn)定性得到有效控制，設(shè)計方案在騰暉煤業(yè)得到了成功應(yīng)用。