五陽煤礦7603孤島工作面巷道圍巖控制技術研究

王濤斌

（潞安環能股份有限公司五陽煤礦，山西 長治 046200）

受相鄰工作面回采所產生動壓的影響，孤島工作面的煤體易發生破碎，加劇了支護結構的設計難度，加之工作面自身回采的影響，極容易導致巷道圍巖在較大的巷道礦壓下發生變形，對采礦安全性形成威脅，因此，探索孤島工作面巷道圍巖控制技術，顯得十分必要。因此，以五陽煤礦7603孤島工作面為工程對象，綜合利用數字模擬和理論分析等方法，對其支護方案和圍巖控制技術進行了探索。

1 工作面地質概況

五陽煤礦7603孤島工作面的埋藏深度介于429m到514m之間，主采3#煤層，平均煤層厚度為6.16m，煤層傾角介于3°到15°之間，平均傾角為7°左右。7603臨近的7601和7605工作面的回采工作已經結束，因而，7603工作面屬于孤島工作面。7603工作面的運輸巷與7605工作面接近，巷道斷面為倒梯形，保護煤柱高30m，巷道寬5.5m，兩幫分別長4.2m與3.5m。運輸巷的底板主要以砂巖和泥巖為主，頂板以泥巖、砂泥巖以及砂質泥巖為主。在巷道掘進過程中，在相鄰工作面動壓的作用下，會導致兩幫發生嚴重變形，同時會引發底鼓現象，7603工作面位置示意圖如圖1所示。

圖1 7603孤島工作面示意圖

2 運輸巷的支護問題和設計方案

2.1 巷道支護問題

1）在運輸巷的掘進過程中，頂板較為完整，未出現明顯變形和下沉現象，局部地段發生底鼓，兩幫存在嚴重變形。

2）巷道支護之間缺乏有效連接，支護整體性欠佳，巷幫支護未能利用頂板承載力，未能構成同控體系。

3）錨桿錨索未傾斜安裝，無法形成協調支護結構。

2.2 支護設計方案

在明確巷道支護問題及工作面地質概況的基礎上，7603工作面運輸巷道支護結構設計方案如下：

1）針對巷道圍巖穩定性差的問題，應在利用錨網梁組合以及高強錨桿進行支護的同時，強化網的韌性和梁的強度，構建高強錨固體系，以此，來實現對巷道圍巖變形的科學防范，并將應力作為參考依據，合理選用全長錨固或者加長錨固方式。

2）借助于數值模擬分析，明確不同支護參數對圍巖穩定性的影響，選擇最優錨桿參數，結合巷道施工信息反饋，對巷道支護方案進行科學設定，制定最佳支護方案。

3）實現錨桿與錨索的有機結合，提升支護結構的整體性能，防止因局部應力過大，對整個支護結構造成破壞。同時，為了防控圍巖變形，應傾斜安裝錨桿，提升巷道幫頂底的整體性。

3 巷道支護參數模擬數值分析

結合7603工作面的地質條件，構建模型圖如圖2所示。模擬埋藏深度460m，模型長、寬、高分別為230m、120m和160m，模型底部為固定邊界，4個側面可水平移動。該模型的單元和節點分別為450560個和473387個。巷道頂底板力學參數見表1。

圖2 數值模擬模型圖

表1 頂板和底板的力學參數表

3.1 模擬方案

選用正交模擬方法，在原巷道支護參數的基礎上，重點優化相關參數。

1）若錨桿（索）采取垂直安裝方法，錨桿間排距設置為900mm×900mm，錨索為7300mm，則錨桿的模擬長度可設置為 2.0m、2..2m、2.4m、2.6m、2.8m，巷道圍巖應力狀況。

2）若錨桿（索）采取垂直安裝方法，錨桿長2.4m，錨索為7300mm，則模擬錨桿間排距可設置為800mm ×800mm、900mm ×900mm、1000mm ×1000mm、1100mm×1100mm，巷道圍巖變形規律。

3）若錨桿間排距設置為900mm×900mm，錨索長7300m，錨桿長2.4m，若實施垂直安裝方式，模擬頂板錨索采取“303”以及“323”五花布置，巷道圍巖變形規律。

4）若錨索長度和錨桿長度分別為7300mm和2.4m，錨桿間排距設置為900mm×900mm，模擬巷道兩幫錨桿摸索傾斜15°、10°、5°和垂直布置時，巷道圍巖變形情況。

3.2 錨桿長度模擬結果

如圖3所示，隨著錨桿長度的增加（2.0m增長至2.4m），頂板下沉量和窄煤柱幫、實體煤幫移進量明顯縮小，底鼓量變化不明顯。基于錨桿長度為2.8m時，巷道圍巖變形未在錨桿2.4m的基礎上發生改變，據此可將錨桿長度設定為2.4m。

圖3 不同錨桿長度下的巷道圍巖變形云圖

3.3 錨桿間排距模擬結果

如圖4所示，若錨桿間排距為1100mm×1100mm，巷道最大變形量為215.1m，隨著間排距的縮小，最大變形量也逐漸降低，這一結果表明錨桿間排距過大，容易降低巷道穩定性，因此，應將錨桿間排距設定在800mm到1000mm之間。

圖4 不同錨桿間排距下的巷道圍巖變形云圖

3.4 錨索布置方式模擬結果

如圖 5所示，與“303”布置方式相比，“323”布置方式能夠實現對頂板變形的有效控制。考慮到7603孤島工作面底鼓和兩幫變形嚴重的現狀，采用“323”方式對頂板錨索進行布置，容易導致巷道維護成本增加，為了防范頂板變形，在錨索布置過程中，采用“303”布置方式。

圖5 不同錨索布置方式的巷道圍巖變形云圖

3.5 幫錨桿錨索角度模擬結果

基于整體性原則，應將錨桿傾斜安裝，使桿尾能夠錨固在巷道頂底板，借助于托梁對頂板和巷幫進行支護，形成整體，產生對巷道圍巖變形的控制作用。如圖6所示，巷道水平位移量隨著傾角的增大而逐漸縮小，當煤柱側的巷幫變形量逐漸減小，實體煤側的變形量也隨之減小。當傾角為15°時，變形量為垂直狀態的47.4%，當傾角為10°時，變形量為垂直狀態的53.7%，因此，為了降低施工施工成本，簡化施工流程，建議將運輸巷幫錨桿錨索的傾角設置為10°。

圖6 不同傾角下的巷道水平位移云圖

4 巷道支護方案及支護效果

4.1 圍巖變形控制方案

根據數值模擬分析結果，將巷道圍巖控制方案參數設計如下：

1）頂板支護。選用左旋無縱筋螺紋鋼的高強錨桿作為頂錨桿，規格為d22mm×2400mm，錨桿間排距設置為850mm×900mm，每排7根，預緊扭矩設置為400N·m，頂板借助于金屬網和直徑為16mm、長度為5500mm的鋼筋梯子梁進行輔助支護，錨索規格為d22mm×73900mm，金屬網的規格為5500mm×1000mm，以303五花布置方式為主，間排距設置為1600mm×1800mm，借助于Z2360型樹脂錨固劑（2支）和K2335型樹脂錨固劑進行錨固處理，錨固長度應≥1.97m，預緊力應≥400KN。

2）巷幫支護。選用左旋無縱筋螺紋鋼的高強錨桿作為頂錨桿，規格為d22mm×2400mm，錨桿間排距設置為900mm，下幫設置4根錨桿，上幫設置4根錨桿，間排距950mm，預緊扭矩設置為400N·m。梯子梁的規格為d16mm，上、下幫長度分別為4100mm和3500mm。上幫金屬網的規格為4100mm×1000mm，下幫金屬網的規格為3500mm×1000mm，在煤柱側安裝長5300mm的錨索，每排設置2根錨索，間排距設置為為1800mm×1800mm，上部錨索向上傾斜10°，距離頂板1000mm，下部錨索向下傾斜10°，距離底板700mm。預緊力和錨固方式與頂板支護相同。

4.2 工業性檢驗

原巷道的兩幫變形量約為1000mm，錨桿錨索存在嚴重損耗，無法形成巷道安全性的保障。為了科學評判巷道支護質量，持續檢測了運輸巷的位移情況。結果顯示，頂板和兩幫的最大移近量分別為385mm和577mm，頂板和兩幫的變形均處于可控范圍內。總的來說，新支護方案實現了對圍巖有害變形的科學防控，有助于確保各項生產正常進行。

圖7 巷道支護效果

5 結論

1）通過對運輸巷支護問題進行分析發現，巷道兩幫存在明顯變形，底鼓現象存在于部分地段，因此，應實施錨網梁組合支護方法，選用高強錨桿，實現幫頂底的同步控制，實現對圍巖變形的科學防控。

2）通過對數值模擬分析，基于不同錨桿安裝傾角、布置方式、錨桿長度以及間排距下的巷道圍巖變形情況，并據此選擇最佳支護參數。

3）結合數值模擬結果，對五陽煤礦7603孤島工作面的圍巖變形控制方案進行了設計，結果顯示，巷道圍巖和兩幫的最大移盡量均在允許范圍內，有效提升了巷道的安全性。