張付平

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司， 山西 晉城 048027）

引言

回采巷道是綜采工作面生產(chǎn)、運輸及通風(fēng)的重要通道，對工作面安全生產(chǎn)局域重要意義。工作面附近超前段一定區(qū)域巷道圍巖應(yīng)力復(fù)雜，受采動影響大，容易發(fā)生變形破壞，因此應(yīng)對該區(qū)域進(jìn)行加強支護(hù)。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，巷道超前支護(hù)長度不低于20 m。本文以莒山礦3 號煤層3007 工作面回風(fēng)順槽為工程背景，對順槽超前支護(hù)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，確定了合理的超前支護(hù)強度。

1 3007 回風(fēng)順工程概況

3007 回風(fēng)順槽位于3007 綜采工作面北部，巷道設(shè)計為矩形斷面，掘進(jìn)寬度為3.2 m，掘進(jìn)高度為2.6 m，凈寬3.0 m，凈高2.4 m，巷道上部為泥巖及砂質(zhì)泥巖，平均厚度為9.27 m，巷道底板為黑色泥巖，平均厚度為3.07 m。巷道原始支護(hù)方案為錨桿及錨索聯(lián)合支護(hù)，頂板及兩幫錨桿規(guī)格均為Φ22 mm×1 800 mm，頂板間排距為900 mm×900 mm，兩幫間排距為900 mm×800 mm；巷道頂板中部布置1 根Φ17.8 mm×5 300 mm 的錨索，排距為1 800 mm。巷道錨桿支護(hù)斷面如圖1 所示。

2 超前應(yīng)力分布規(guī)律分析

通過現(xiàn)場監(jiān)測回復(fù)順槽內(nèi)超前立柱應(yīng)力與工作面變化關(guān)系曲線，由圖2 可知，在工作面附近立柱應(yīng)力約為26 MPa，應(yīng)力峰值位于工作面前方9 m 處，最大應(yīng)力為31.5 MPa，隨著遠(yuǎn)離工作面立柱應(yīng)力逐漸減小，在工作面前方約27 m 時應(yīng)力處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，約為22.5 MPa。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》及實際監(jiān)測綜合考慮，取超前支護(hù)范圍為工作面前方30 m[1-2]。

圖1 巷道錨桿支護(hù)斷面（單位：mm）

圖2 超前應(yīng)力曲線

3 超前支護(hù)參數(shù)分析

3.1 理論分析

巷道在掘進(jìn)之前，巖層處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，隨成巷后上覆巖層應(yīng)力會發(fā)生重新分布，在巷道頂板上部一定區(qū)域內(nèi)會形成相對穩(wěn)定的平衡拱，根據(jù)自然平衡拱理論，超前支護(hù)強度不小于成拱高度范圍內(nèi)巖層自重[6-8]。

式中：a 為自然平衡拱的最大跨度，可按式（2）計算，f為掘進(jìn)影響后圍巖硬度系數(shù)，根據(jù)測量取1.75。

式中：c 為二分之一巷寬，1.6 m；H 為巷高，2.6 m；φ為內(nèi)摩擦角，28°。

巷道頂板應(yīng)力如下式所示：

式中：K1為上一工作面回采后采空區(qū)側(cè)向參與影響系數(shù)，取1.7；K2為3007 工作面回采期間采動影響系數(shù)，取1.8； 將各參數(shù)代入計算得q=134.64 kPa。綜合考慮，確定超前支護(hù)參數(shù)為135 kPa。

圖3 巷道圍巖力學(xué)模型

3.2 數(shù)值模擬

為驗證超前支護(hù)強度的合理性，采用FLAC-3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，根據(jù)實際開采地質(zhì)條件建立數(shù)值計算模型，模型長300 m，寬250 m，底部限制垂直位移，四周限制水平位移，模型頂部上覆巖層用均布載荷，模擬過程中巷道超前支護(hù)強度通過對頂板施加0.125 MPa 的面力予以模擬。模型物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

圖4 為數(shù)值模擬所得3007 回風(fēng)順槽位移云圖，有圖可知巷道頂板最大位移為22.35 mm，位于巷道頂板中部，兩幫最大位移為17.5 mm，位于巷道幫部靠近頂板位置，巷道圍巖變形量較小，均在可控范圍內(nèi)，表明超前支護(hù)強度設(shè)計合理，可以滿足3007 回風(fēng)順槽超前支護(hù)要求[3-5]。

4 結(jié)語

結(jié)合莒山礦3007 綜采工作面回風(fēng)順槽實際工程地質(zhì)條件，采用現(xiàn)場實測分析巷道超前支撐應(yīng)力分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上通過理論分析確定巷道超前支護(hù)參數(shù)，并通過數(shù)值模擬進(jìn)行驗證性研究，為后續(xù)支護(hù)超前支架的采購和選型提供參考。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖4 巷道圍巖位移云圖