高地應(yīng)力及動(dòng)壓影響下回采巷道支護(hù)方案優(yōu)化

翟靈俊

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)，山西 介休 032303）

0 引言

近年來(lái)，隨著煤炭資源的不斷開(kāi)采，各大礦區(qū)開(kāi)始逐漸面臨一些深部煤層采掘工作，深部采掘工作在地應(yīng)力、動(dòng)壓影響、地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響下，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、松散破碎、變形強(qiáng)烈、破壞范圍大，巷道冒頂、片幫及底鼓頻發(fā)，巷道在使用過(guò)程中往往需要反復(fù)修復(fù)，造成較大的巷道維護(hù)成本，安全也得不到保障。以雙柳煤礦3316（全文簡(jiǎn)稱(chēng)3316）專(zhuān)用瓦斯抽采巷的支護(hù)工作為研究對(duì)象，結(jié)合傳統(tǒng)的支護(hù)理論與方法，采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、理論分析等方法對(duì)大埋深高應(yīng)力區(qū)域巷道圍巖的變形破壞規(guī)律、支護(hù)機(jī)理及支護(hù)技術(shù)展開(kāi)研究[1-4]，結(jié)合具體的工程條件進(jìn)行相關(guān)理論和技術(shù)的研究創(chuàng)新，從而推動(dòng)行業(yè)技術(shù)發(fā)展。

1 工程概況

雙柳煤礦是汾西礦業(yè)集團(tuán)的主力礦井，現(xiàn)主采煤層為山西組下段頂部3 號(hào)煤層，該區(qū)煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤層厚度平均3.75 m。3316 工作面地表標(biāo)高650～950 m，煤層賦存深度為520～570 m。工作面整體為單斜構(gòu)造，煤層傾角2°～9°，平均6°，且根據(jù)巷道揭露資料以及回采工作面綜合分析，此區(qū)域內(nèi)煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育，對(duì)工作面回采有一定的影響。3316 工作面圍巖以泥巖、中砂巖、細(xì)砂巖為主，具體如表1 所示。

表1 3 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性表

在工作面巷道布置方面，直接為工作面服務(wù)的回采巷道有3 條，3316 進(jìn)風(fēng)巷（上一個(gè)綜采面的抽采巷），3316 運(yùn)輸巷，3316 抽采巷（作為下個(gè)工作面的進(jìn)風(fēng)巷），巷道布置情況如圖1 所示，西側(cè)為3316 運(yùn)巷和3316 專(zhuān)用瓦斯抽采巷，東側(cè)為3316 材巷，其中，3316 專(zhuān)用瓦斯抽采巷與3316 運(yùn)巷之間留設(shè)煤柱寬度為20 m。由于巷道埋深大、巷道條件差，并受較高構(gòu)造應(yīng)力及多次采掘擾動(dòng)的影響，使得巷道在掘進(jìn)期間發(fā)生頂板過(guò)度下沉、兩幫移近、底鼓、支護(hù)失效等破壞現(xiàn)象。

圖1 3316 工作面巷道布置示意圖

2 3316 抽采巷原支護(hù)方案及缺陷分析

根據(jù)工作面開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)及礦壓觀測(cè)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[5-8]，分析3316 抽采巷原支護(hù)方案及巷道變形破壞特征分析如下：

2.1 3316 抽采巷原支護(hù)方案分析

3316 抽采巷層位是沿煤層頂板布置，采用矩形斷面，斷面規(guī)格為4 600 mm×3 200 mm，原支護(hù)設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案，如圖2 所示。其中，頂部錨桿采用無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ20 mm×2 400 mm，使用K2355 和Z2355 錨固劑加長(zhǎng)錨固，間排距為1 000 mm×1 000 mm；幫部錨桿采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ20 mm×2 400 mm，使用1 支K2355錨固劑端頭錨固，間排距為900 mm×1 000 mm；頂部錨索采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，規(guī)格為Φ17.8 mm×6 400 mm，采用“一二”間隔布置，第一排錨索沿中線(xiàn)布置，第二排錨索沿中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)布置，間距2 200 mm，排距1 000 mm?？傮w來(lái)說(shuō)，該支護(hù)方案是一種較為常規(guī)的支護(hù)方案，符合設(shè)計(jì)規(guī)范，但面對(duì)該工作面高地應(yīng)力及動(dòng)壓頻繁的條件，針對(duì)性略顯不足。

圖2 3316 抽采巷原支護(hù)方案示意圖（單位：mm）

2.2 3316 抽采巷圍巖變形破壞特征

1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，3316 抽采巷掘進(jìn)及支護(hù)的礦壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)明顯的高地應(yīng)力特征，經(jīng)過(guò)測(cè)算，本工作面最大垂直應(yīng)力集中系數(shù)超過(guò)2.2，最大水平應(yīng)力集中系數(shù)超過(guò)1.5，應(yīng)力集中程度大，礦壓顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈。

2）3316 抽采巷為本工作面服務(wù)后，后期還要作為下個(gè)工作面的進(jìn)風(fēng)巷繼續(xù)使用，承受多次應(yīng)力擾動(dòng)及動(dòng)壓影響，在3316 工作面回采期間，巷道頂板下沉量速度快、積累量大，幫煤破碎程度較高，局部片幫及底鼓嚴(yán)重。

3）礦壓顯現(xiàn)嚴(yán)重的區(qū)段，巷道斷面收縮極為嚴(yán)重，頂板出現(xiàn)嚴(yán)重的“網(wǎng)兜”現(xiàn)象，金屬網(wǎng)撕裂，多處錨桿和錨索發(fā)生脫錨甚至斷裂，出現(xiàn)不同程度的漏頂、冒頂事故，多處底板鼓起量接近甚至大于1 000 mm，巷道嚴(yán)重失修，安全隱患極大。

4）根據(jù)礦壓實(shí)測(cè)結(jié)果及以上分析，判斷出由于地應(yīng)力過(guò)高及動(dòng)壓影響，巷道圍巖破碎度高，穩(wěn)定性差，原支護(hù)方案強(qiáng)度及整體性不足，尤其是錨桿或錨索發(fā)生拉斷、破斷現(xiàn)象，表明在巷道支護(hù)方案方面還需進(jìn)行針對(duì)性?xún)?yōu)化。

3 巷道支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 巷道支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)以上礦壓實(shí)測(cè)及理論分析結(jié)果，并充分借鑒高校學(xué)者針對(duì)3316 抽采巷圍巖變形特征，利用數(shù)值模擬工具給出的支護(hù)方案建議，確定優(yōu)化后的巷道支護(hù)方案，如圖3 所示。

圖3 3316 抽采巷優(yōu)化支護(hù)方案示意圖（單位：mm）

巷道頂部和幫部統(tǒng)一采用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ20mm×2400mm，托盤(pán)規(guī)格為150mm×150mm×10 mm，使用兩支錨固劑進(jìn)行端錨，型號(hào)為K2360 及Z2360，頂錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，幫錨桿間排距為900 mm×1 000 mm；重點(diǎn)優(yōu)化了錨索支護(hù)，頂板錨索由原來(lái)的“一二”布置補(bǔ)強(qiáng)為“三二”布置，即第一排使用3 根錨索，沿中線(xiàn)1 根，中線(xiàn)左右1 600 mm處各1 根，第二排距中線(xiàn)1 100 mm 對(duì)稱(chēng)布置2 根，排距保持為1 000 mm，錨索規(guī)格為Φ21.6 mm×6 400 mm，錨索托盤(pán)規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm；兩幫在距離頂板1 600 mm 處各補(bǔ)打一根錨索，排距1 000 mm，錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×6 400 mm。

3.2 工程實(shí)踐及礦壓觀測(cè)

按照以上支護(hù)方案，對(duì)巷道失修段進(jìn)行修復(fù)，并在3316 抽采巷內(nèi)布置測(cè)站對(duì)優(yōu)化方案的支護(hù)效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)站布置情況如圖1 所示。隨著采煤工作面向前推進(jìn)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入距離工作面50 m 處時(shí)，巷道開(kāi)始逐漸承受超前支承應(yīng)力影響，難以保持原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)，至工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)20 m 以?xún)?nèi)時(shí)，頂?shù)装逦灰屏考皟蓭臀灰屏恐饾u發(fā)展，圍巖變形量控制在20 mm 以?xún)?nèi)；當(dāng)工作面推過(guò)20～80 m 范圍內(nèi)，3316 抽采巷圍巖變形量進(jìn)入快速發(fā)展期，頂?shù)装逡平堪l(fā)展到約75 mm，兩幫移近量發(fā)展到約35 mm；當(dāng)工作面推過(guò)80 m 至更遠(yuǎn)的距離后，巷道變形量積累速度趨于平緩，本工作回采帶來(lái)的應(yīng)力擾動(dòng)結(jié)束，頂?shù)装逡平堪l(fā)展到約80 mm，兩幫移近量發(fā)展到約40 mm，如圖4所示。相比原支護(hù)方案，優(yōu)化支護(hù)后，巷道斷面收縮率平均降低了近80%，可見(jiàn)優(yōu)化后的支護(hù)方案對(duì)圍巖變形起到了很好的控制作用。

圖4 隨工作面推進(jìn)巷道圍巖變形量發(fā)展示意圖

4 結(jié)論

1）3316 抽采巷呈現(xiàn)明顯的高地應(yīng)力特征，最大垂直應(yīng)力集中系數(shù)超過(guò)2.2，最大水平應(yīng)力集中系數(shù)超過(guò)1.5，應(yīng)力集中程度大；且3316 抽采巷受本巷道掘進(jìn)、3316 工作面回采及下個(gè)工作面回采影響，承受多次應(yīng)力擾動(dòng)，礦壓顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈。

2）巷道原支護(hù)方案針對(duì)性不足，是一種較為常規(guī)的支護(hù)方案，雖然符合設(shè)計(jì)規(guī)范，但沒(méi)有充分考慮3316 抽采巷所面臨的高地應(yīng)力及多次動(dòng)壓影響難題，導(dǎo)致巷道斷面收縮嚴(yán)重，多處錨桿和錨索發(fā)生脫錨甚至斷裂，出現(xiàn)不同程度的漏頂、冒頂事故，造成巷道嚴(yán)重失修，安全隱患極大。

3）綜合運(yùn)用礦壓實(shí)測(cè)、理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，并成功進(jìn)行了工程實(shí)踐。礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，本工作面回采結(jié)束后，頂?shù)装逡平靠刂圃诩s80 mm，兩幫移近量控制在約40 mm，且相比原支護(hù)方案，3316 專(zhuān)用瓦斯抽采巷的斷面收縮率平均降低了近80%，支護(hù)方案的有效性得到了驗(yàn)證。