晉普山煤礦孤島工作面錨桿支護技術研究

王宇鵬，宋剛

（中煤邯鄲設計工程有限責任公司，河北邯鄲 056031）

晉普山煤礦孤島工作面錨桿支護技術研究

王宇鵬，宋剛

（中煤邯鄲設計工程有限責任公司，河北邯鄲 056031）

針對晉普山煤礦10504孤島工作面安全回采問題，基于晉普山煤礦3號煤巷道的地質力學條件，運用FLAC3D對該工作面運輸巷的圍巖穩定性及受采動影響規律進行了系統的研究，確定了工作面運輸巷的支護參數。通過對運輸巷的綜合監測，頂底板和兩幫移近量得到了有效的控制，驗證了該支護系統的科學性、合理性，確保了巷道支護的可靠性，保證了礦井的生產安全。

數值模擬；孤島工作面；巷道支護；錨桿支護

孤島工作面采場礦壓顯現有其特殊性，煤體破碎、礦壓顯現劇烈、支護難度大是孤島工作面的主要特征。若支護設計不當，極易造成工作面巷道變形嚴重，對安全生產造成極大影響。為探索孤島工作面礦壓顯現規律，國內外學者進行了大量研究[1-3]。

晉普山煤礦10504工作面為孤島工作面，礦山壓力顯現特征與非孤島工作面有很大區別，采用傳統金屬支架支護不能滿足孤島工作面的支護效果，需充分調動圍巖的自身承載能力，采用錨桿支護方式[4-8]。

1 工作面概況

10504工作面位于主采3號煤的105采區西翼。10504工作面以北為10506工作面，以南為10502工作面，以東為北回風、北大巷保護煤柱，以西為10516已采工作面。工作面地面位于張村東北約1 000 m的丘陵地帶，地表為耕地及荒山。地面標高為+925～+975 m，工作面巷道開口位置位于+740 m水平，煤層埋藏深度為185～235 m。工作面煤層平均厚4.0 m，煤層直接頂板為泥巖，直接底為砂質泥巖。10504工作面位置示意圖，見圖1。

10504工作面采用雙巷布置方式，即在工作面兩端分別布置一條工作面回風巷和工作面運輸巷。巷道均沿著煤層頂板掘進，西北方向布置回采工作面，工作面長170 m，推進長度500 m。工作面運輸巷斷面形式為矩形，巷道掘進斷面寬為4.2 m，高為2.5 m，鋪設帶式輸送機和軌道；工作面回風巷斷面形式為矩形，巷道掘進斷面寬為4.2 m，高為2.5 m，鋪設軌道。

2 煤層頂底板物理力學性質

1）3號煤平均厚4.0 m，單軸抗壓強度為5.34 MPa，抗拉強度為0.56 MPa，抗剪強度為2.70 MPa，泊松比為0.18，彈性模量為802 MPa，內聚力為1.67 MPa，內摩擦角為24°，屬于軟煤。

2）3號煤直接頂板泥巖厚3.0 m，單軸抗壓強度為13.65 MPa，抗拉強度為0.875 MPa，抗剪強度為1.835 MPa，泊松比為0.25，彈性模量為1 129 MPa，內聚力為3.66 MPa，內摩擦角為26°，屬于較軟巖層。

3）3號煤老頂中粒砂巖厚12 m，單軸抗壓強度為78.04 MPa，抗拉強度為4.3 MPa，抗剪強度為20.79 MPa，泊松比為0.36，彈性模量為8 852 MPa，內聚力為15.11 MPa，內摩擦角為33°，屬于堅硬巖層。

4）3號煤底板砂質泥巖厚3.2 m，單軸抗壓強度為10.55 MPa，抗拉強度為1.225 MPa，抗剪強度為2.0 MPa，泊松比為0.22，彈性模量為3 682 MPa，內聚力為5.03 MPa，內摩擦角為27°，屬于較軟巖層。

3 巷道的數值模擬分析

3.1 數值模擬模型設計

模擬方法采用美國大型巖土工程計算軟件FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions），彈塑性材料模型。運用Mohr-Coulomb屈服準則判斷巖體的破壞。

根據原煤炭工業部發布的《我國緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩定性分類方案》，得到采深在180～235 m范圍內，煤柱尺寸為20 m時，工作面巷道為Ⅳ類不穩定圍巖。根據煤巷錨桿支護技術規范推薦的Ⅳ類巷道錨桿支護基本形式為：錨桿+W鋼帶+網，或增加錨索；桁架+網，或增加錨索。推薦的頂板支護主要參數為：全長錨固，桿體直徑16～22 mm，桿體長度1.6～2.4 m，間排距0.6～1.0 m。根據推薦的支護方式，初步確定工作面運輸巷支護參數：錨桿直徑20 mm，長2 200 mm，間排距800 mm；錨索直徑17.8 mm，長7 300 mm，間排距1 600 mm。

工作面運輸巷計算模型，見圖2。運輸巷為矩形斷面，沿3號煤層頂板掘進，掘進斷面尺寸為寬x 高=4.2 mx2.5 m。模型取回采工作面一側60 m。運輸巷的另一側為煤柱和采空區，取50 m，其中煤柱寬為20 m；則模型寬度為114.2 m。模擬3號煤厚4 m，頂板厚46.26 m，底板厚24.2 m，則模型高度為74.46 m。模型沿工作面推進長度取200 m，則模型的長x寬x高=200 mx114.2 mx74.46 m。模型的四個側面為位移邊界，限制水平位移；底部為固定邊界，限制水平位移和垂直位移。模型劃分為204 200個單元，220 122個節點。考慮煤層埋深在235 m的圍巖穩定性。上覆巖層的重力，按均布荷載施加在模型的上部邊界。模擬時，先開挖運輸巷，然后進行工作面回采，同時在運輸巷距工作面煤壁前方100 m處斷面上沿巷道頂底板中點、兩幫腰線處以及錨桿錨索錨固高度位置布置應力和位移測點，記錄工作面推進過程中巷道圍巖應力和位移的變化。

3.2 模擬過程及結果

建好模型后，計算初始應力場至平衡，逐一開挖各條巷道，開挖后立即采用相應的支護方式進行支護，計算至平衡后，讀取采動影響前的圍巖變形量。然后模擬工作面的推進，以記錄工作面推進距離對巷道圍巖穩定性的影響。同時考慮采空區已冒落矸石對上覆巖層的支承作用，采用具有一定碎脹系數和物理力學特征的彈性材料充填工作面后方一定距離外的采空區。在整個模擬運算過程中始終監測各條巷道關鍵層位的變形情況，記錄并存儲每一步運算結果。

工作面運輸巷頂底板、兩幫移近量和錨桿、錨索錨固范圍內頂板離層值隨測點至工作面煤壁距離變化的計算結果，如表1和表2所示。圖3為超前工作面煤壁不同距離處運輸巷圍巖屈服單元分布圖。

從表1和表2中可以看出，受本工作面采動影響，頂底板、兩幫移近量在0～50 m的范圍內明顯增加，頂底板移近量增加29.8 mm，兩幫移近量增加7.8 mm，錨桿、錨索錨固范圍頂板離層量在0～50 m的范圍內變小，說明上覆巖層下沉量增加但支護系統仍處于良好的承載狀態。

4 支護設計

經過數值模擬分析，確定晉普山10504工作面運輸巷采用樹脂錨固錨桿支護系統，并且進行錨索補強。

運輸巷斷面為矩形斷面，掘進斷面寬x高= 4 200 mmx2 500 mm，斷面積S=10.5 m2。基本支護方式：錨桿+金屬網；加強支護方式：快速承載預應力錨索。運輸巷支護設計圖，見圖4。

1）頂板支護。頂板錨桿材料為HRB400型高強螺紋鋼(25MnSi)。頂板錨桿直徑，20 mm。頂板錨桿長度，L=2 200 mm。頂板錨桿排距B=800 mm。頂板錨桿間距D=900 mm，邊錨桿距巷幫300 mm，并要求向巷幫側傾斜20°。每排布置5根頂板錨桿。頂板錨桿錨固劑：每孔使用K2335型樹脂錨固劑1卷，Z2360型樹脂錨固劑2卷。頂板錨桿托板為150 mmx150 mmx10 mm鐵托板。頂板網采用6 mm的HPB235鋼筋制作，網孔規格為100 mmx100 mm，網片搭接長度為100 mm。頂板錨索材料：7股1860級鋼絞線。頂板錨索直徑17.8 mm。頂板錨索長度L=7 300 mm，鉆孔深度7 000 mm，外露300 mm。錨索排距與間距：每排2根，間距1 800 mm，距巷幫1 200 mm，排距1 600 mm，錨索垂直頂板巖面。頂板錨索錨固劑：每孔使用K2335型樹脂錨固劑1卷，Z2360型樹脂錨固劑3卷。頂板錨索托板：長x寬x厚=300 mmx300 mmx15 mm鐵托板。

2）巷幫支護。幫錨桿材料：玻璃鋼桿體。幫錨桿直徑20 mm。幫錨桿長度L=2 000 mm，鉆孔深度1 900 mm。幫錨桿排距800 mm。幫錨桿間距D= 800 mm，上部錨桿距頂板400 mm，并向上傾斜20°；下部錨桿距底板500 mm，并向下傾斜20°。幫網：用6 mm的HPB235鋼筋制作，網孔規格為100 mmx100 mm，網片搭接長度為100 mm。幫錨桿托板：150 mmx150 mmx10 mm鐵托板。幫錨桿錨固劑：每孔使用K2335型和Z2360型樹脂錨固劑各1卷。在非回采煤壁側幫錨桿可選用18 mm、L= 2 000 mm的HRB335型螺紋鋼錨桿。

5 結束語

1）基于晉普山煤礦3號煤巷道的地質力學條件，運用FLAC3D對10504工作面運輸巷在錨固狀態下的圍巖穩定性及受采動影響規律進行了系統的研究，確定了工作面運輸巷的支護參數。

2）工作面運輸巷采用的支護形式均較好的控制了圍巖松動圈的發展，錨索都深入到了穩定圍巖中，并起到了較好的懸吊作用。巷道圍巖的強度得到了加強。

3）工作面運輸巷在采動期間，超前工作面50 m頂底板和兩幫移近量明顯增加，此時應對運輸巷進行超前加強支護。

4）通過對運輸巷的綜合監測，頂底板和兩幫移近量得到了有效的控制，驗證了該支護系統的科學性、合理性，確保了巷道支護的可靠性，保證了礦井的生產安全。

5）通過對孤島工作面回采巷道支護形式及回采期間巷道變形規律的研究，對孤島工作面巷道支護有了更深刻的認識，可為以后此類巷道支護提供借鑒意義。

[1]秦忠誠，王同旭.深井孤島綜放工作面跨采軟巖巷道合理支護技術[J].煤炭科學技術，2003，32(5):7-10.

[2]劉長友，黃炳香，孟祥軍，等.超長孤島綜放工作面支承壓力分布規律研究[J].巖石力學與工程學報，2007，26(S1)：2761-2766.

[3]馬慶云，鐘道昌.采場支承壓力分布及發展規律的研究[J].煤，1996，5(1):12-15.

[4]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京：煤炭工業出版社，2007.

[5]張農，高明仕.煤巷高強預應力錨桿支護技術與應用[J].中國礦業大學學報，2004，33(5):524-527.

[6]康紅普，姜鐵明，高富強.預應力在錨桿支護中的作用[J].煤炭學報，2007，32(7):673-678.

[7]何滿潮，袁和生.中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M].北京：科學出版社，2004.

[8]康紅普，姜鐵明，高富強.預應力錨桿支護參數的設計[J].煤炭學報，2008，33(7):721-726.

Bolt Supporting Technology on Island Mining Face in Jinpushan Mine

WANG Yupeng，SONG Gang
(Handan Design Engineering ChinaCoal Co.，Ltd.，Handan 056031，China)

To realize the safe mining of the No.10504 island mining face，FLAC3Dwas used to study the stability of surrounding rock of transportation roadway and mining influence to determine supporting parameters based on the geomechanics of No.3 roadway in Jinpushan mine.By the integrated monitoring，the effective control of roof-floor and two-side deformation has been achieved.The study verified the rationality and reliability of the supporting system，which could ensure the safety production of the mine.

numerical simulation;island mining face;roadway support;bolt support

TD353.6

A

1672-5050（2015）02-0043-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.014

（編輯：薄小玲）

2015-01-20

王宇鵬（1985-），男，內蒙古通遼人，大學本科，助理工程師，從事礦井設計工作。