楊 丁

(西山煤電集團有限責任公司 屯蘭礦，山西 古交 030200)

孤島工作面受相鄰工作面回采動壓影響，煤體變得較為破碎，支護難度較大，而巷道圍巖又受到本工作面采動影響，巷道礦壓顯現(xiàn)較掘進期間更加劇烈。孤島工作面應力集中，圍巖變形嚴重，并能產(chǎn)生沖擊地壓[1-4]，對工作面安全開采造成危害，有必要對孤島工作面巷道圍巖控制技術進行研究。馮宇、姜福興[5-6]等通過分析孤島工作面頂板應力傳遞機制判斷工作面開采的可行性；華心祝、張煒[7-8]等通過數(shù)值模擬軟件分析支承壓力選擇巷道的支護技術。本文以五陽煤礦7603孤島工作面開采為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬等方法對7603運輸巷的圍巖控制技術以及支護方案進行研究。

1 工程概況

五陽煤礦7603工作面位于76 采區(qū)，工作面埋深為429～514 m，工作面位于3#煤層，該煤層平均厚度為6.16 m，煤層傾角為3°～15°，平均為7°，工作面位置示意圖見圖1. 目前，工作面兩側的7605以及7601工作面均已經(jīng)回采完畢，工作面屬于孤島工作面，7603運輸巷靠近7605工作面，保護煤柱尺寸為30 m. 巷道斷面形狀為倒梯形，巷道寬度為5.5 m，兩幫的長度分別為4.2 m和3.5 m. 巷道頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖以及泥砂巖互層，底板多為泥巖以及砂巖，巷道頂?shù)装迕簬r體力學參數(shù)表見表1. 巷道在掘進過程受相鄰工作面動壓影響，巷道兩幫變形較大，部分地段底鼓嚴重。

圖1 7603工作面位置示意圖

2 7603運輸巷支護問題與設計方法

2.1 巷道支護存在的問題

1) 7603運輸巷掘進過程中，巷道頂板較為完整，下沉及變形量均較小，局部地段底板鼓起嚴重，而巷道兩幫變形嚴重。

2) 巷道支護缺乏聯(lián)接，支護整體性效果較差，巷道幫頂?shù)讻]有形成同控體系，巷幫支護沒有充分調(diào)動頂板的承載力。

表1 煤巖體力學參數(shù)表

3) 巷道錨桿、錨索沒有形成協(xié)調(diào)支護，錨桿、錨索沒有傾斜安裝。

2.2 巷道支護設計思路

通過分析巷道支護存在的問題，巷道支護的技術思路如下：

1) 采用高強錨桿、錨網(wǎng)梁組合支護，特別是巷道的圍巖穩(wěn)定性較差時，適當加強梁、網(wǎng)的強度及韌性，以形成高強錨固體系，以適應巷道圍巖的劇烈變形，并根據(jù)應力大小，選擇加長錨固或全長錨固方式。

2) 采用科學的設計方法，確定合理的錨桿支護參數(shù)。采用數(shù)值模擬的方法分析不同參數(shù)對圍巖穩(wěn)定性的影響，開展多方案選優(yōu)，并與巷道初期施工信息反饋相結合，以確定巷道合理的支護方法。

3) 增加錨桿、錨索之間的聯(lián)接，使巷道支護形成一個整體，避免局部應力較大，使單個支護體失效，進而破壞整個支護系統(tǒng)。另外，巷幫錨桿傾斜安裝，使巷道幫頂?shù)仔纬梢粋€整體，共同應對巷道圍巖變形。

3 巷道支護參數(shù)數(shù)值模擬分析

根據(jù)五陽煤礦7603運輸巷的工程地質(zhì)條件，建立模型(見圖2).模擬埋深約460 m，模型尺寸為長230 m×寬120 m×高160 m，模型4個側面為水平移動邊界，底部為固定邊界，模型共劃分450 560個單元和473 387個節(jié)點。其中采空區(qū)模擬尺寸長100 m×寬120 m×高6 m，模型力學參數(shù)見表1.

圖2 數(shù)值計算模型圖

3.1 模擬方案

本次模擬所用參數(shù)以巷道原支護參數(shù)為基礎，進行正交模擬，對相關支護參數(shù)進行優(yōu)化：

1) 當錨桿間排距為900 mm×900 mm、錨索長度7 300 mm、錨桿(索)垂直安裝時，模擬錨桿長度分別為2.0 m、2.2 m、2.4 m、2.6 m、2.8 m時巷道圍巖應力分布規(guī)律。

2) 當錨桿長度為2.4 m、錨索長度7 300 mm、錨桿(索)垂直安裝時，模擬錨桿間排距為800 mm×800 mm、900 mm×900 mm、1 000 mm×1 000 mm、1 100 mm×1 100 mm四種情況下巷道圍巖變形規(guī)律。

3) 當錨桿間排距為900 mm×900 mm、長度為2.4 m、錨索長度7 300 mm、錨桿(索)垂直安裝時，模擬頂板錨索按“323”五花布置和“303”布置下巷道圍巖變形規(guī)律。

4) 當錨桿間排距為900 mm×900 mm、長度為2.4 m、錨索長度7 300 mm時，模擬巷道兩幫錨桿錨索垂直巷幫布置和錨桿錨索分別向上下傾斜5°、10°、15°四種情況下，巷道圍巖變形規(guī)律。

3.2 錨桿長度模擬結果分析

不同錨桿長度巷道圍巖變形云圖見圖3.由圖3可得，當錨桿的長度從2.0 m增加到2.4 m，頂板下沉量減小了8.3 mm，窄煤柱幫移近量減小30.0 mm，實體煤幫移近量減小21.4 mm，底鼓量基本不變，再增加錨桿長度到2.8 m，巷道圍巖變形基本不變。因此，考慮控制巷道圍巖變形，確定幫錨桿長度為2.4 m.

圖3 不同錨桿長度巷道圍巖變形云圖

3.3 錨桿間排距的模擬結果分析

不同錨桿間排距巷道圍巖變形云圖見圖4.由圖4可得，當間排距為1 100 mm時巷道最大變形量為

215.1 mm，而間排距為900 mm和800 mm時巷道最大變形量分別為137.6 mm和120.3 mm，說明錨桿間距減小巷道變形得到有效控制，但是錨桿間排距過分增大也不利于提高巷道的穩(wěn)定性。因此，合理的錨桿間排距為800～1 000 mm.

3.4 錨索布置方式的模擬結果分析

不同錨索布置方式巷道水平位移云圖間圖5.從圖5可得，“323”布置方式和“303”布置方式兩者比較，前者對控制巷道圍巖變形尤其是頂板變形效果更好，但是優(yōu)勢并不明顯?？紤]到7603孤島工作面運輸順槽主要是兩幫變形和底鼓量較大，頂板變形較小，頂板錨索采用“323”布置方式增加了巷道維護成本，而且造成頂板圍巖破碎不利于圍巖的控制，綜合考慮建議頂板錨索使用“303”的布置方式控制巷道的頂板變形。

圖4 不同錨桿間排距巷道圍巖變形云圖

圖5 不同錨索布置方式巷道水平位移云圖

3.5 幫錨桿錨索角度的模擬結果分析

根據(jù)支護整體性控制原則，幫部錨桿(索)傾斜安裝，使其桿體尾部錨固在巷道頂?shù)装?，由托梁使頂板支護以及巷幫形成一個整體，共同控制巷道圍巖變形。不同傾角下巷道水平位移云圖見圖6.由圖6可得，隨著傾角的增大，巷道的水平位移量逐漸減小，其中煤柱側巷幫變形量分別為192.2 mm、158.3 mm、107.8 mm、90.1 mm，而實體煤側變形量為86.5 mm、74.7 mm、55.2 mm、46.5 mm. 煤柱側巷道變形量減小明顯，15°時巷道變形量為0°時的47.4%，而實體煤側略小，為53.7%. 綜合考慮巷道的支護效果和施工成本及難易程度，建議7603孤島工作面運輸順槽的幫錨桿錨索的傾角為10°較為合理。

圖6 不同傾角下巷道水平位移云圖

4 巷道支護方案及支護效果

4.1 巷道圍巖控制方案

根據(jù)數(shù)值模擬結果，得到了巷道錨桿長度、間排距、錨索布置方式以及幫錨桿(索)的安裝角度，具體的設計方案如下：

1) 頂板支護。

頂錨桿為左旋無縱筋螺紋鋼高強錨桿，規(guī)格為d22 mm×2 400 mm，每排7根錨桿，間排距為850 mm×900 mm，預緊扭矩為400 N·m，樹脂加長錨固，藥卷規(guī)格為K2335和Z2350各1卷，頂板配以雙鋼筋梯子梁和金屬網(wǎng)作為輔助支護，梯子梁采用d16 mm的鋼筋自行制作，長度為5 500 mm；金屬網(wǎng)采用8#鉛絲編制的經(jīng)緯網(wǎng)或者菱形網(wǎng)，頂板金屬網(wǎng)規(guī)格為5 500 mm×1 000 mm. 錨索規(guī)格為d22 mm×7 300 mm，布置方式為“3-0-3”，間排距為1 600 mm×1 800 mm，采用1支K2335和2支Z2360樹脂錨固劑錨固，理論錨固長度約為1.97 m，錨索預緊力不小于300 kN.

2) 巷幫支護。

幫錨桿為左旋無縱筋螺紋鋼高強錨桿，規(guī)格為d22 mm×2 400 mm，上幫5根錨桿，間距950 mm，下幫4根錨桿，間距為1 000 mm，錨桿排距為900 mm，預緊扭矩為400 N·m，錨固方式同頂錨桿。梯子梁采用d16 mm的鋼筋自行制作，上幫長度為4 100 mm，下幫長度為3 500 mm. 金屬網(wǎng)采用8#鉛絲編制的經(jīng)緯網(wǎng)或者菱形網(wǎng)，上幫金屬網(wǎng)規(guī)格為4 100 mm×1 000 mm，下幫金屬網(wǎng)規(guī)格為3 500 mm×1 000 mm. 錨索安裝在煤柱側，長度為5 300 mm，每排兩根錨索，間排距為1 800 mm×1 800 mm，上部錨索距頂板1 000 mm，向上傾斜10°布置，下部錨索距底板700 mm，向下傾斜10°布置，錨固方式與預緊力同頂錨索。

4.2 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

為驗證巷道支護質(zhì)量，對7603運輸巷表面位移進行監(jiān)測?，F(xiàn)場檢測結果表明，巷道頂板最大移近量為385 mm，兩幫最大移近量為577 mm，頂板及兩幫變形均處于巷道錨桿、錨索延伸率允許變形范圍之內(nèi)，巷道支護效果見圖7. 巷道采用原支護方案變形量較大，部分地段兩幫變形量將近1 000 mm，錨桿、

錨索損耗嚴重?？傮w來看，新支護方案有效地控制了7603運輸巷圍巖有害變形，確保了巷道的安全穩(wěn)定，保證了礦井的正常生產(chǎn)。

圖7 巷道支護效果圖

5 結 論

1) 分析了五陽煤礦7603運輸巷支護存在的問題，得到了巷道支護缺乏整體性，巷道兩幫變形較大，部分地段底鼓嚴重，并提出了采用高強錨桿、錨網(wǎng)梁組合支護以及幫頂?shù)淄貒鷰r變形的支護方法。

2) 采用了FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對巷道支護參數(shù)進行模擬，得到不同錨桿長度、錨桿間排距、錨索布置方式以及錨桿(索)安裝角度條件下，巷道圍巖變形規(guī)律。根據(jù)模擬結果，選取巷道最優(yōu)支護參數(shù)。

3) 根據(jù)孤島工作面巷道圍巖控制方法和數(shù)值模擬結果，對五陽礦7603運輸巷圍巖控制方案進行設計。現(xiàn)場應用表明，巷道頂板最大移近量為385 mm，兩幫最大移近量為577 mm，該方案較好控制了巷道圍巖變形，保證了巷道安全穩(wěn)定。