孤島工作面動壓巷道支護參數(shù)優(yōu)化及應用

于志慧

（西山煤電股份有限公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203）

由于煤層的開采引起回采空間周圍煤巖層應力重新分布，如果相鄰工作面巷道支護方式不合理，極可能出現(xiàn)大變形而導致巷道難于維護、使用。為保證安全施工及減少二次維護費用，必須對動壓巷道支護進行系統(tǒng)研究，對支護參數(shù)進行優(yōu)化設計。

1 工程概況

1.1 孤島動壓工作面基本概況

西山煤電股份公司鎮(zhèn)城底礦22613工作面位于+760水平南六采區(qū)，所采煤層為2.3#煤，地面標高為1080～1189m，工作面標高為790～810m，蓋層厚度為270 ～399m.

22613工作面井下位于南六采區(qū)，東為22615工作面（已回采），西為22611工作面（已回采），南為22620工作面，北東為金之中小煤礦。22613工作面為孤島工作面，22613軌道巷為動壓巷道。

1.2 動壓巷道圍巖條件

22613工作面軌道巷沿2.3#煤層掘進，煤層穩(wěn)定，煤層結構為：2.2（0.4）0.50m，煤層厚度為3.10 m，整體呈單斜構造，大致由北西向南東傾斜，煤層傾角平均為3°.

2.3#煤偽頂為泥巖，厚度為0 ～0.3m，隨掘隨冒；直接頂為砂質泥巖與細砂巖互層，厚度為1.15 m，局部偽頂發(fā)育；老頂為砂質泥巖與細砂巖互層，厚度為8.43m，呈灰黑色，以砂質泥巖為主；底板為砂質泥巖，厚度為5.01m，黑色砂質泥巖。巷道的直接頂和直接底均以砂質泥巖為主，頂?shù)装宓姆€(wěn)定性較差，在掘進期間很容易引起底鼓現(xiàn)象。

2 圍巖強度測試

測試了頂板7.2m范圍內巖層的強度，見圖1，以及在煤幫10m范圍內煤層的強度，根據(jù)測試數(shù)據(jù)給出了強度分布特征圖，見圖2.根據(jù)圖1，圖2測試結果，可知頂板巖層及煤層強度分布的特征，見表1.

圖1 頂板煤巖體強度測試結果圖

3 南六采區(qū)地應力測試

鎮(zhèn)城底礦地應力測量結果見表2.

圖2 2.3#煤體強度測試結果圖

表1 頂板巖層及煤層強度分布特征表

表2 鎮(zhèn)城底礦地應力測量結果表

南六區(qū)2.3#煤層所測區(qū)域地應力分布具有以下特征：

該礦南六采區(qū)2.3#煤層所測區(qū)域地應力在量值上屬于中等偏低應力值區(qū)域。區(qū)域構造應力占絕對優(yōu)勢。最大水平主應力方向為N67.3°W.

孤島工作面受相鄰工作面回采、巷道掘進和本工作面回采影響，煤柱和實體煤上方往往賦存著較大的動態(tài)支承壓力，這些高集中應力是巷道產生動壓現(xiàn)象的誘因，見圖3，圖4.由于工作面的回采會在煤柱上方形成數(shù)倍于原巖應力的應力，這種應力極易導致護巷煤柱的屈服和變形，最終導致相鄰工作面的回采巷道出現(xiàn)兩幫鼓出、兜包、片幫和低幫斷裂鼓起。

4 孤島工作面動壓巷道支護參數(shù)優(yōu)化

4.1 數(shù)值模擬分析

南六采區(qū)22613工作面軌道巷與相鄰22611工作面采空區(qū)間隔30m寬度煤柱，22611工作面于2013年完成回采，工作面布置見圖5，工作面采空區(qū)的穩(wěn)定是一個長期的過程。22613軌道巷服務期間22611采空區(qū)尚未完全穩(wěn)定，頂板巖層活動產生的殘余支承壓力將會對22613軌道巷產生顯著的影響，加大了巷道支護難度，如果巷道支護不合理，有可能出現(xiàn)頂板破碎下沉，甚至可能出現(xiàn)冒頂?shù)臓顩r。為更好地了解圍巖受力狀態(tài)，采用大型FLAC3D數(shù)值軟件，分析22613軌道巷的圍巖受力和變形特征，為合理的支護參數(shù)提供依據(jù)。

圖3 采空區(qū)周圍應力重分布圖

圖4 護巷煤柱在回采工作面前后方的應力分布圖

圖5 試驗工作面22613平面布置簡圖

4.2 模型建立

根據(jù)試驗22613 面地質條件，建立相應的FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸為250000×100000×50000（mm），劃分為343750節(jié)單元和359856個節(jié)點，見圖6.根據(jù)地質力學測試結果知，所測區(qū)域最大水平主應力：σH=10.58MPa，最小水平主應力：σh=5.44MPa，該區(qū)段巷道平均埋深為335m，計算可得垂直主應力選取為：σv=9.375MPa.在建模過程中嚴格按照地質剖面圖的尺寸，坐標系采用直角坐標系，XOY平面取為水平面，Z軸取鉛直方向，并且規(guī)定向上為正，整個坐標系符合右手螺旋法則。三維模型的邊界條件取為：上部為自由邊界，四周和底部采用鉸支。

圖6 數(shù)值模型圖

4.3 模擬結果分析

工作面回采過程中在工作面前方煤體和側方煤柱上形成支承壓力集中，會對巷道產生影響。

4.3.1 工作面回采后煤柱支承壓力分布

模擬首先計算了22611工作面回采過后，在側向煤體中形成的支承壓力分布狀況。

1）煤柱一側采空后，受到強烈采動影響，煤柱在靠近采空側應力急劇增加至35.6MPa，應力集中系數(shù)達到4.25，距煤幫距離約為2.0m.

2）側向支承壓力的峰值隨著向煤柱的深部移動逐漸呈遞減趨勢，當增加到一定距離時接近于原巖應力。考慮到22613工作面同22611工作面間的煤柱寬度為20m，煤體中的支承壓力為12MPa，應力集中系數(shù)為1.4，高于原巖應力，那么在此范圍掘進巷道，必然會受到支承壓力的作用。

從上面的分析可以看出，在22613軌道巷掘進的位置，煤體中呈現(xiàn)出了應力集中，雖然應力集中程度并不高，但是由于工作面回采過后，采空區(qū)的應力變化是一個動態(tài)的過程，導致煤柱上賦存著巨大的動態(tài)支承壓力，使得巷道更加難以維護。

4.3.2 軌道巷掘進時煤柱支承壓力分布

當22613軌道巷掘進時，圍巖呈現(xiàn)出以下特征：

1）軌道巷掘進時改變了圍巖原有的應力分布狀態(tài)，圍巖的應力由12MPa升至14.6MPa，并且使得靠近采空區(qū)邊緣的煤柱中支承壓力也發(fā)生了改變，支承壓力峰值達38.9MPa，應力集中系數(shù)達到4.64.

2）煤柱寬度為20m時，工作面回采產生的支承壓力仍會影響巷道周圍的應力分布，在距離巷道左幫邊緣至煤柱內2.0m，圍巖的應力呈現(xiàn)出一個急劇減小的過程，通過礦壓理論可知，該范圍內的煤體發(fā)生了屈服破壞，在巷道支護時必須控制住該屈服范圍的增加。

采空區(qū)上覆巖層的結構處于動態(tài)變化過程，22613軌道巷將長時間持續(xù)受到采動作用，巷道變形將長期處于增長趨勢，應盡量減小該巷道的放置時間。

4.4 巷道支護參數(shù)優(yōu)化

為了提出更加合理的支護方案，對現(xiàn)有的支護方案進行分析：

22613軌道巷掘進長度約700m，巷道寬4.5m，高3.0m，現(xiàn)有的支護方式為：頂板錨桿規(guī)格為d20-M22-2200mm，間排距：1000mm×900mm；幫錨桿采用d20-M22-2200mm，間排距：1000mm×900mm；錨索規(guī)格d17.8-1×7-6500（mm），間排距：1200mm×1800mm，矩形布置；錨桿預緊力矩175N·m，錨索的預緊力≥120kN.根據(jù)對支護材料及支護參數(shù)分析得出以下結論：1）錨桿錨索預應力重視程度不夠。2）支護形式較為單一。3）動壓巷道幫部支護強度偏弱。

4.4.1 對巷道支護參數(shù)進行優(yōu)化

1）巷道頂板支護。

巷道寬4.5m，高3.0m.錨桿形式和規(guī)格：桿體為直徑d22mm的左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號400#，長度2.4m，桿尾螺紋為M24，采用樹脂加長錨固；采用W 鋼帶加金屬網護頂；頂錨桿排距1000mm，每排5根錨桿，間距1000mm.錨桿預緊力矩：≥300 N·m.錨索形式和規(guī)格：公稱直徑22mm，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度5300mm.錨索布置：采用二二布置，每隔2.0m布置2根，間距2000 mm，垂直頂板巖層安裝。錨索預緊力：200kN.

2）兩幫支護。

錨桿形式和規(guī)格：桿體直徑d22mm的左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號400#，長度2.4m，桿尾螺紋為M 24.樹脂錨固，采用W 鋼護板加金屬網護幫，幫錨桿排距1000mm，每排3根錨桿，間距1000mm.錨索形式和規(guī)格：公稱直徑22 mm，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度4 300mm，錨索布置：采用二二布置，每隔2.0m布置2根，間距2000mm，最上一根距頂板500mm，垂直頂板巖層安裝。錨索預緊力：200kN.

5 結 論

通過與北京天地公司合作，22613軌道巷采用了優(yōu)化后的支護方案，取得良好的效果。目前，22613工作面已經回采剩余90m，軌道巷在掘進及回采期間均未出現(xiàn)較大變形，減少了巷道二次維護工程和維護費用。通過對支護材料消耗量分析，通過分析以前類似巷道的材料消耗，原支護方案消耗1753元／m，二次維護費用約1200元／m，合計需要消耗約2953元／m，而優(yōu)化后的支護方案消耗2117元／m，無需進行巷道的二次維護。

綜上所述，優(yōu)化后的支護方案具有以下優(yōu)點：

1）支護參數(shù)優(yōu)化后能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護。

2）遵循了“三高一低”原則，即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度、剛度，保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進速度。

3）保證了巷道支護效果和安全程度，并且經濟合理，降低了巷道支護綜合成本。

［1］ 侯朝炯.巷道圍巖控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2012：16-55.

［2］ 陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1994：33-47.

［3］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003：35-54.

［4］ 胡艷峰.近距離煤層群開采底板巷道圍巖控制技術研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學碩士學位論文：2-3.

［5］ 李宇龍，丁國鋒，馬海濤.受鄰近工作面采動影響的巷道加固研究與實踐［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2013，7（7）：40-42.

［6］ 陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1994：48-50.