東曲礦回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

張 睿

（西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司安監(jiān)局，山西 太原 030053）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)煤炭資源總量逐漸減小，這導(dǎo)致煤炭開(kāi)采逐漸向深部發(fā)展[1]，隨之而來(lái)出現(xiàn)許多問(wèn)題，回采工作面巷道圍巖的控制問(wèn)題是工作面實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵[2-3]，由于我國(guó)各煤礦地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，因此，不同煤礦回采工作面的回采巷道圍巖變形問(wèn)題復(fù)雜多變[4-5]。

東曲礦煤層埋深較大，工作面回采巷道在掘進(jìn)時(shí)期，圍巖變形量大，當(dāng)工作面回采時(shí)，巷道變形劇烈，圍巖變形呈非對(duì)稱性且與時(shí)間有關(guān)，如何有效控制巷道圍巖變形，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效化生產(chǎn)是東曲礦目前面臨的主要問(wèn)題。因此，本文對(duì)東曲煤礦巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

東曲礦隸屬于西山煤電集團(tuán)，煤礦位于山西省古交市，煤礦開(kāi)采煤層為9#煤層，煤層厚度為2.20～3.13m，平均厚度為2.7m，屬于中厚煤層，煤層傾角為1°～8°，平均為5°，煤層屬于近水平煤層，煤層埋深最大為350m。9102工作面回采過(guò)程中，巷道變形嚴(yán)重，如圖1所示。回采巷道受動(dòng)壓影響，局部地段出現(xiàn)冒頂情況。因此，需對(duì)回采巷道圍巖變形特征及支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究，巷道原支護(hù)參數(shù)為錨桿采用Ф20×2000mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800×800mm，錨索為Ф17.8×6000mm的鋼絞線，間排距為1400mm×1600mm。

圖1 巷道圍巖變形情況圖

2 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析可知，東曲煤礦巷道圍巖在掘進(jìn)期間變形情況嚴(yán)重，回采巷道受工作面動(dòng)壓影響后，巷道圍巖易發(fā)生冒頂事故，巷道變形特征為圍巖變形呈現(xiàn)非對(duì)稱性，且與時(shí)間因素有關(guān)。經(jīng)過(guò)專家及技術(shù)人員的判斷分析可知，回采巷道圍巖變形嚴(yán)重的主要原因?yàn)椋合锏浪捎玫腻^桿錨固長(zhǎng)度不足；另?yè)?jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，當(dāng)提高錨桿預(yù)緊力時(shí)，圍巖變形情況較為緩和，因此可以確定，回采巷道所安設(shè)的錨桿預(yù)緊力不足及巷道掘進(jìn)后支護(hù)不及時(shí)也是巷道變形破壞的原因。因此，設(shè)計(jì)新支護(hù)方案為將原支護(hù)方案中頂板及幫部錨桿加長(zhǎng)為2400mm，間排距為800mm×800mm，預(yù)緊力為70kN，頂板錨索長(zhǎng)度為6000mm，間排距為1400×1600mm。

3 圍巖變形控制技術(shù)

3.1 巷道支護(hù)方案數(shù)值模型建立

通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模擬模型，模型尺寸為：長(zhǎng)為210m，寬為150m，高為120m，模型共劃分693329個(gè)單元格，700385個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型邊界條件為模型四周及模型底部固定，限制水平及垂直位移和應(yīng)力，模型頂部施加9.03MPa原巖應(yīng)力。數(shù)值模擬模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

3.2 模擬過(guò)程

模擬過(guò)程為：（1） 建立數(shù)值模擬模型，如圖2所示；（2）初始平衡，初始平衡后，模型物理力學(xué)條件同煤層地質(zhì)條件下力學(xué)條件相同；（3） 開(kāi)挖工作面回風(fēng)及運(yùn)輸順槽，并采用所設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)對(duì)回風(fēng)及運(yùn)輸順槽進(jìn)行支護(hù)；（4） 回采9102工作面，監(jiān)測(cè)超前工作面30m處，回風(fēng)及運(yùn)輸順槽圍巖變形情況；（5）模擬結(jié)果分析。

3.3 模擬結(jié)果分析

圖3所示為東曲煤礦9102回采工作面回采巷道在巷道掘進(jìn)及工作面回采時(shí)圍巖塑性區(qū)云圖，當(dāng)9102工作面順槽掘進(jìn)后采用本文設(shè)計(jì)的支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)時(shí)，掘進(jìn)巷道掘進(jìn)支護(hù)后，巷道兩幫塑性區(qū)深度均為0.5m，巷道頂板破壞深度為1m，巷道塑性區(qū)破壞深度較小，處于錨桿錨固范圍內(nèi)，說(shuō)明該支護(hù)方案能夠滿足回采巷道在掘進(jìn)期間的穩(wěn)定性；當(dāng)工作面回采時(shí)，工作面超前支撐壓力影響范圍為30m，工作面前方30m處巷道圍巖塑性區(qū)破壞范圍大，9102工作面回采巷道兩幫塑性區(qū)破壞深度均為1.5m，小于錨桿錨固長(zhǎng)度，頂板破壞深度為2m，小于錨桿錨固長(zhǎng)度；9102回采工作面前方50m處，回采巷道兩幫破壞深度均為1.5m，頂板破壞深度為1.5m，頂板及兩幫塑性區(qū)破壞深度均小于錨桿錨固長(zhǎng)度；9102回采工作面前方90m處，回采巷道兩幫破壞深度均為1m，頂板破壞深度為1.5m，頂板及兩幫塑性區(qū)破壞深度均小于錨桿錨固長(zhǎng)度。由此分析可知，所設(shè)計(jì)的錨桿（索）支護(hù)方案能滿足東曲煤礦回采工作安全生產(chǎn)的需要，工作超前支撐壓力影響范圍為30m，距工作面距離越遠(yuǎn)，回采巷道圍巖穩(wěn)定性越好。

圖3 掘進(jìn)及回采巷道工作面塑性區(qū)云圖

4 支護(hù)效果觀測(cè)

為進(jìn)一步檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)回采工作面回采巷道的支護(hù)方案的可行性，東曲煤礦采用所選支護(hù)方案后，對(duì)巷道圍巖位移量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，回采巷道在掘進(jìn)期間，頂板最大位移量為12mm；工作面回采期間，圍巖最大位移量是工作面前方30m處，頂板最大下沉量34mm。巷道圍巖變形量小，說(shuō)明所選支護(hù)方案能夠滿足安全生產(chǎn)需要。圖4為回采巷道支護(hù)參數(shù)圖，圖5為回采巷道圍巖支護(hù)效果圖。

5 結(jié)論

（1）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)東曲煤礦9102工作面回采巷道變形嚴(yán)重，局部位置出現(xiàn)冒頂，回采巷道原支護(hù)方案無(wú)法滿足工作面安全生產(chǎn)需要，巷道變形特征為巷道圍巖呈現(xiàn)非對(duì)稱性，且與時(shí)間因素有關(guān)。

（2）理論分析回采巷道支護(hù)參數(shù)為：錨桿采用Ф22×2400mm，間排距為800×800mm，錨索采用Ф17.8×6000mm，間排距為1400mm×1600mm。

（3）數(shù)值模擬研究表明東曲煤礦9102工作面采用設(shè)計(jì)的方案時(shí)，巷道在掘進(jìn)期間兩幫塑性區(qū)最大破壞深度為0.5m，頂板最大塑性區(qū)破壞深度為1m，工作面回采期間，工作面前方巷道兩幫最大塑性區(qū)破壞深度為1.5m，頂板最大塑性區(qū)破壞深度為2m，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案能夠滿足回采工作面支護(hù)要求。

（4）工程實(shí)踐監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道掘進(jìn)期間，頂板最大下沉量為12mm，工作面回采期間，工作面前方回采巷道頂板最大下沉量為34mm，圍巖變形量小，再次說(shuō)明所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案能夠滿足要求。

圖4 回采巷道支護(hù)參數(shù)圖（單位：mm）

圖5 巷道圍巖支護(hù)效果圖