趙 云 飛

（霍州煤電集團(tuán)晉北煤業(yè)公司山浪煤礦，山西 靜樂 035100）

0 引 言

煤礦開采過程中，工作面兩側(cè)的回采巷道直接服務(wù)于回采工作面，井下巷硐面臨復(fù)雜多變的工程地質(zhì)條件，并且回采巷道受到工作面劇烈的采動影響，如果采取的支護(hù)方法方案不當(dāng)，導(dǎo)致回采巷道圍巖變形量大、支護(hù)體失效等問題，將嚴(yán)重影響工作面的正常生產(chǎn)，且威脅著井下工作人員的生命安全；而以往的巷道支護(hù)方式和參數(shù)的確定，多依靠工程類比粗略的確定，這樣既不利于礦井的安全正常生產(chǎn)，對于提高煤炭開采的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性也非常不利，因此本文以晉北煤業(yè)5#煤5-101 首采工作面的膠帶運(yùn)輸順槽的支護(hù)為工程背景，對其支護(hù)方案和支護(hù)效果展開相關(guān)的研究，為類似地區(qū)、其他備采巷道錨桿支護(hù)提供參考。

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)晉北煤業(yè)位于忻州西部，隸屬于鵝城鎮(zhèn)，井田內(nèi)總的地勢為北部高南部低，最高點(diǎn)位于井田東北部山梁，井田地面標(biāo)高為+1340m～+1510m，目前正在進(jìn)行井田范圍內(nèi)5#煤層的采掘作業(yè)，5#煤層厚度為2.35m，為近水平煤層，井下標(biāo)高為+1335m～+1377m，5-101 首采工作面基巖厚23-53m，黃土層厚67～76m，蓋山厚度為80～150m，5-101 工作面傾向長度660m，走向長度180m，地質(zhì)儲量75 萬t，采用傾向長壁一次性采全高的采煤方法，采空區(qū)處理采用全部垮落法。工作面正副兩巷均巖煤層傾向布置，切巷沿煤層走向布置。工作面選用ZY11000/24.5/50 型兩柱支撐掩護(hù)式液壓支架支護(hù)頂板，支架中心距為1750mm，端面距為340mm，兩巷端頭及超前采用單體柱支護(hù)。5#煤層直接頂板多為砂質(zhì)泥巖、泥巖或粉砂巖，一般厚在2.20m，老頂為中細(xì)砂巖，厚約5.00m；底板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，一般厚2.82m。

2 5-101 運(yùn)輸順槽支護(hù)方案初步設(shè)計(jì)

巷道支護(hù)理論的選取對于圍巖的控制效果非常關(guān)鍵，支護(hù)理論不能忽視圍巖的巖性特征，更需要充分考慮圍巖所屬的類型[1]。根據(jù)圍巖穩(wěn)定性分類指標(biāo)，5-101 運(yùn)輸順槽直接頂厚度與采高的比值為2.2/2.35=0.93，巷道圍巖松動圈的范圍為80～150cm，為中松動圈。5-101 工作面平均埋深為90m，上覆巖層自重產(chǎn)生的垂直應(yīng)力為2.25MPa，根據(jù)室內(nèi)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果頂板巖層的粘聚力為1.35MPa，整體來說，5-101 運(yùn)輸順槽埋深較淺，圍巖強(qiáng)度為中等，為充分保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，采用非彈性區(qū)理論和組合拱理論進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)[2]。5-101 運(yùn)輸順槽開挖不采取支護(hù)措施的條件下圍巖的最大非彈性區(qū)半徑R0：

式中：P 為地應(yīng)力為2.25MPa；C 為5-101 圍巖的粘聚力，1.35MPa；φ 為圍巖的內(nèi)摩擦角為32.15°；R0為等效圓半徑，計(jì)算公式為：

式中：a 為5-101 運(yùn)輸順槽寬度的一半為2.8m；h為5-101 運(yùn)輸順槽高度的一半為1.75m；代入式（2）切得等效圓半徑我3.3m，代入式（1）得最大非彈性區(qū)半徑R0為3.4m。則巷幫圍巖內(nèi)非彈性區(qū)深度a1=R0-a=1.25m，頂板巖層內(nèi)非彈性區(qū)發(fā)育高度為a2=R0-h/2=1.65m。頂板冒落拱高度：

式中：f 為為1.62，根據(jù)式（3）可求得5-101 運(yùn)輸順槽頂板冒落拱高度為1.81m，頂板錨桿需要承受的巖層的載荷為：

式中：K1為5-101 工作面采動對于其運(yùn)輸順槽的影響系數(shù)，取1.5；γ 頂板巖層容重為26kN/m3；S 為頂板冒落拱的橫截面積為1.81m2；D 為錨桿間的排距，查閱相關(guān)研究成果取1，則由式（4）求得G1=388.3kN，通過實(shí)驗(yàn)室力學(xué)實(shí)驗(yàn)測得現(xiàn)有直徑為22m 錨桿承載力約為70kN，因此頂板每排設(shè)計(jì)采用6 根錨桿，頂板錨桿的錨固長度為0.5m，則頂板錨桿的長度=1.65+0.5+0.1=2.16m，因此頂板錨桿采用Ф22×2200mm 的螺紋鋼錨桿，錨桿間距和排距均為1.0m，兩幫錨桿長度=1.25+0.5+0.1=1.86m，處于安全考慮兩幫采用Ф18×1800mm 的錨桿，回采幫采用玻璃鋼錨桿，煤柱幫左旋螺紋鋼錨桿，間排距也為1.0m。頂板采用金屬網(wǎng)維護(hù)，兩幫采用塑料網(wǎng)護(hù)幫，5-101 運(yùn)輸順槽支護(hù)斷面如圖1 所示。

圖1 5-101 運(yùn)輸順槽支護(hù)斷面

3 支護(hù)效果模擬分析

為驗(yàn)證晉北煤業(yè)5-101 運(yùn)輸順槽支護(hù)方案的支護(hù)效果和可行性，結(jié)合該礦5#煤層具體的地質(zhì)條件，采用FLAC3D 模擬軟件[3～4]建立數(shù)值模型，模型尺寸長×寬×高=390×100×110m，5-101 運(yùn)輸順槽斷面為矩形，支護(hù)后凈寬5.6m，凈高3.5m，整個(gè)模型的巖體選用Mohr-Coulomb 理想彈塑性模型。模型邊界條件：模型前后兩側(cè)邊界面在Y 方向上位移受到約束，左右兩個(gè)邊界的位移在X 方向保持固定，底面邊界為固定邊界，位移為0，上部邊界為自由邊界，根據(jù)5-101 工作面平均埋深模型頂部施加垂直方向的均布載荷為2.25MPa。模型的詳細(xì)情況如圖2 所示。模擬過程：首先進(jìn)行5-101 工作面回風(fēng)順槽和輔運(yùn)順槽的開挖，之后分別在無支護(hù)條件下和上述支護(hù)條件下進(jìn)行5-101 運(yùn)輸順槽的開挖，對支護(hù)前后5-101 運(yùn)輸順槽圍巖的位移場變化規(guī)律和圍巖塑性區(qū)云圖進(jìn)行分析研究。

圖2 三維數(shù)值模型

無支護(hù)和錨桿支護(hù)條件下5-101 運(yùn)輸順槽圍巖的位移云圖和圍巖塑性區(qū)分布云圖如圖3、4 所示。根據(jù)圖3 所示的結(jié)果可知，在無支護(hù)條件下，5-101 運(yùn)輸順槽頂板下沉量最大為47.2mm，底板底鼓量最大為12.6mm，回采幫和煤柱幫水平位移最大為21.55mm，采用錨桿支護(hù)后，5-101 運(yùn)輸順槽頂下沉量最大為17.47mm，為支護(hù)前的37%，底板底鼓量為11.81mm，兩幫水平位移量最大為11.75mm，為無支護(hù)條件下的54%，錨桿支護(hù)后頂板下沉量減小為無支護(hù)條件下的三分之一，兩幫移近量減小為無支護(hù)條件下的二分之一，由此說明錨桿支護(hù)對5-101 運(yùn)輸順槽圍巖位移的控制效果顯著。根據(jù)圖4 所示的結(jié)果可以看出，無支護(hù)條件下5-101 運(yùn)輸順槽頂板塑性破壞高度約為1.8m，兩幫圍巖塑性破壞深度約為1.2m，底板巖層塑性破壞深度約為0.6m，采用錨桿支護(hù)后，5-101 運(yùn)輸順槽頂板塑性破壞高度減小為1.5m，兩幫塑性破壞深度減小為0.9m，底板塑性破壞深度仍為0.6m，由此可知，采用錨桿支護(hù)，一定程度上減小了巷道頂板和兩幫巖體的破壞范圍，改善了圍巖的受力狀態(tài)，提高巷道圍巖的整體性和承載能力。整體來說，錨桿支護(hù)后5-101 運(yùn)輸順槽圍巖位移量很小，模擬結(jié)果顯示錨桿支護(hù)對于5-101 運(yùn)輸順槽圍巖起到較好的控制效果。

圖3 5-101 運(yùn)輸順槽圍巖位移場

圖4 5-101 運(yùn)輸順槽圍巖塑性區(qū)分布

4 現(xiàn)場礦壓監(jiān)測

晉北煤業(yè)5-101 運(yùn)輸順槽采用上述的錨桿支護(hù)方案，巷道掘進(jìn)過程中，圍巖穩(wěn)定性很好，基本未產(chǎn)生明顯的位移，為考察工作回采期間的支護(hù)效果，在工作面前方150m 布置兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖5（a）所示，將現(xiàn)場監(jiān)測的整理后的結(jié)果如圖5（b）所示，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可以看出，5-101 運(yùn)輸順槽超前工作面100m 處圍巖開始出現(xiàn)較為明顯的位移，當(dāng)工作面推進(jìn)至測點(diǎn)附近時(shí)，頂板最大下沉量約為16.5mm，兩幫移近量最大約為15mm，總體來說，工作面回采期間5-101 運(yùn)輸順槽圍巖出現(xiàn)輕微的位移，不影響其正常使用，采取錨桿支護(hù)的支護(hù)效果良好。

圖5 5-101 運(yùn)輸順槽圍巖位移觀測

5 結(jié) 論

晉北煤業(yè)5#煤層埋深較淺，頂板巖層較完整、較堅(jiān)硬，為更加合理的確定其支護(hù)方法和支護(hù)參數(shù)，綜合運(yùn)用理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬等方法，設(shè)計(jì)5-101 運(yùn)輸順槽采用錨桿進(jìn)行支護(hù)，并采用非彈性區(qū)理論和組合拱理論進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，數(shù)值模擬分析表明，錨桿支護(hù)預(yù)計(jì)將取得良好的支護(hù)效果，支護(hù)方案可行，現(xiàn)場應(yīng)用后進(jìn)行圍巖位移監(jiān)測表明，5-101運(yùn)輸順槽掘進(jìn)過程中圍巖無明顯位移，工作面回采期間，頂板最大下沉量約為16.5mm，兩幫移近量最大約為15mm，錨桿支護(hù)有效的控制5-101 運(yùn)輸順槽的圍巖位移，取得了良好的應(yīng)用效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。