恒興煤業(yè)近距離煤層巷道圍巖支護(hù)穩(wěn)定性研究

李 云

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)洪洞恒興煤業(yè)有限公司，山西 洪洞 031600）

恒興煤業(yè)近距離煤層在開采過(guò)程中，常會(huì)受到已采煤層的影響，使得回采工作面以及回采巷道頂板破碎嚴(yán)重，錨桿支護(hù)無(wú)法滿足巷道圍巖的穩(wěn)定性要求[1]，造成回采工作面多次停工停產(chǎn)，嚴(yán)重影響煤礦開采效率。基于此，本文根據(jù)恒興煤業(yè)3號(hào)煤所處地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)優(yōu)化巷道圍巖支護(hù)參數(shù)，綜合分析對(duì)比并確定回采巷道圍巖最佳支護(hù)參數(shù)，確保巷道圍巖穩(wěn)定。

1 工程概況

恒興煤業(yè)3#煤層所在地質(zhì)年代為山西組，上距2號(hào)煤層8.60～21.85m，平均14.77m。煤厚約2.45m，埋深204.6m。3#煤層直接頂從下至上依次為炭質(zhì)泥巖、砂巖、厚泥巖，厚度約12.00m。3#煤層底板從上至下依次為泥巖、細(xì)砂巖、石灰?guī)r，厚度約3.50～8.50m。

2 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 斷面形狀及尺寸

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘測(cè)情況，3#煤層的第二采區(qū)的運(yùn)輸水平的掘進(jìn)巷道斷面形狀為矩形。運(yùn)輸水平沿3#煤層的底板1m以下按照腰線掘進(jìn)施工，具體尺寸為：凈寬4m，凈高2.5m。

2.2 支護(hù)方案

依據(jù)煤礦巷道施工地質(zhì)資料和設(shè)計(jì)圖紙要求，確定3#煤層運(yùn)巷凈寬為4m，凈高2.5m，沿煤層底板一次掘進(jìn)成形。結(jié)合巷道頂?shù)装鍘r性，運(yùn)巷采用錨桿+錨網(wǎng)+噴射混凝土支護(hù)協(xié)同作用形式。當(dāng)巖層組合結(jié)構(gòu)為軟弱型和軟硬相間型時(shí)，為加強(qiáng)支護(hù)效果采用加長(zhǎng)錨桿和加長(zhǎng)錨固，巷道支護(hù)形式及參數(shù)如圖1所示。

（1）頂板支護(hù)

錨桿材質(zhì)為左旋螺紋鋼，直徑20mm，長(zhǎng)度2.5m，布置間排距為900×1000mm。巷道頂板共布置5根錨桿，單根錨桿錨固材料采用2根樹脂錨固劑，其中1根快速、1根中速。錨桿安裝后，托盤應(yīng)緊貼巖面，不得有松動(dòng)，外露長(zhǎng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

錨索材質(zhì)為多股鋼絞線，直徑17.8mm，長(zhǎng)度6.3m，布置間排距為1800×2000mm。巷道頂板共布置2根錨索（呈倒八字形布置），單根錨索錨固材料采用3根樹脂錨固劑，其中1根快速、2根中速。錨索安裝后，托盤應(yīng)緊貼巖面，鎖具預(yù)緊力至少應(yīng)為120kN，外露長(zhǎng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖1 恒興煤業(yè)3#煤層運(yùn)巷聯(lián)合支護(hù)示意圖

（2）兩幫支護(hù)

錨桿材質(zhì)為左旋螺紋鋼，直徑20mm，長(zhǎng)度2.0m，布置間排距為1000×1000mm。巷道兩幫共布置4根錨桿，下方錨桿距離底板1m處斜向下安裝。單根錨桿錨固材料采用2根樹脂錨固劑，其中1根快速、1根中速。錨桿安裝后，托盤應(yīng)緊貼巖面，不得有松動(dòng)，外露長(zhǎng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3 支護(hù)方案數(shù)值模擬分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)恒興煤業(yè)3號(hào)煤運(yùn)輸巷圍巖采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行巷道支護(hù)圍巖變形移動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬。煤層及其頂?shù)装鍘r層參數(shù)根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件采用Attach語(yǔ)句連接[2-4]，模型建立網(wǎng)格35662個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)48250個(gè)，對(duì)巷道設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及結(jié)果采集。方案設(shè)計(jì)巷道圍巖在礦山壓力作用下位移變化情況如圖2所示。

圖2 恒興煤業(yè)3號(hào)煤運(yùn)輸巷圍巖位移變化云圖

對(duì)設(shè)計(jì)支護(hù)方案數(shù)值模擬完成后，保持煤巖層參數(shù)及開挖賦值不變，對(duì)巷道圍巖錨桿錨索間排距（錨桿錨索數(shù)量）及長(zhǎng)度進(jìn)行變換，得出在不同支護(hù)參數(shù)下的巷道圍巖移動(dòng)變形量[5-6]，導(dǎo)出各支護(hù)方案下的圍巖移動(dòng)變形數(shù)據(jù)并記錄匯總，得出錨桿錨索支護(hù)巷道頂、板移近量、左、右巷幫收斂量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 巷道圍巖位移量隨支護(hù)參數(shù)變化統(tǒng)計(jì)表

對(duì)恒興煤業(yè)3號(hào)煤運(yùn)輸巷進(jìn)行了多種支護(hù)參數(shù)的數(shù)值模擬，根據(jù)表1模擬巷道圍巖變形量統(tǒng)計(jì)可知，開挖巷道在無(wú)支護(hù)的情況下，巷道圍巖達(dá)到平衡時(shí)變形破壞程度較強(qiáng)烈，頂?shù)装逑鄬?duì)位移量為224mm，兩幫相對(duì)位移量為209mm。設(shè)計(jì)方案支護(hù)形式對(duì)巷道圍巖移動(dòng)變形的控制效果較佳，最大能減少約73.6%的圍巖變形量。設(shè)計(jì)方案支護(hù)參數(shù)為錨桿頂板5根，兩幫各2根，長(zhǎng)2.5m，錨索2根或3根，長(zhǎng)6.3m時(shí)，頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏炕鞠嗟龋抑ёo(hù)效果好，滿足巷道圍巖控制要求。

從巷道圍巖支護(hù)工程施工經(jīng)濟(jì)上考慮，在圍巖支護(hù)效果相差微小的前提下，盡可能采用較少的支護(hù)材料，能夠節(jié)約施工成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，確定恒興煤業(yè)3號(hào)煤運(yùn)輸巷圍巖支護(hù)應(yīng)選擇頂板錨桿5根，兩幫各2根，長(zhǎng)2.5m，頂板錨索2根，長(zhǎng)6.3m的支護(hù)參數(shù)作為最佳支護(hù)方案。

4 工程應(yīng)用

對(duì)于恒興煤業(yè)3號(hào)煤運(yùn)輸巷道圍巖支護(hù)，將數(shù)值模擬分析得出的最佳支護(hù)方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，對(duì)巷道支護(hù)完成后，進(jìn)行圍巖頂板下沉、巷道兩幫收斂的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得到巷道圍巖移動(dòng)變形隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

圖3 3號(hào)煤運(yùn)輸巷道圍巖變形隨時(shí)間的變化曲線

由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，巷道圍巖在采用最佳支護(hù)方案下，前15d內(nèi)圍巖變形較劇烈，無(wú)論是頂板下沉還是兩幫收斂都隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，最大增長(zhǎng)至52.4mm和46.5mm。這說(shuō)明在巷道掘進(jìn)開挖前期，圍巖的原巖應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，圍巖在巷道開挖范圍內(nèi)顯現(xiàn)出多處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得圍巖破碎嚴(yán)重，斷面變形較大。而在15d以后，巷道圍巖支護(hù)效果才得以顯現(xiàn)，巷道頂板及兩幫基本保持了穩(wěn)定的狀態(tài)，頂板下沉和兩幫收斂基本趨于不變，說(shuō)明巷道支護(hù)效果顯著，滿足安全生產(chǎn)的要求。由工程實(shí)踐研究表明，恒興煤業(yè)3號(hào)煤采用頂板錨桿5根、兩幫各2根、長(zhǎng)2.5m，頂板錨索2根、長(zhǎng)6.3m的支護(hù)參數(shù)滿足了巷道圍巖變形的有效控制，而且節(jié)省施工成本，經(jīng)濟(jì)效果良好。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)恒興煤業(yè)3號(hào)煤運(yùn)輸巷道圍巖支護(hù)的數(shù)值模擬和工程實(shí)踐的綜合研究可知，對(duì)于近距離煤層的開采，上部煤層的采空區(qū)對(duì)下部煤層巷道的穩(wěn)定性影響較大，需通過(guò)有效的錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)并采用加長(zhǎng)錨固的方法，方能更好地控制巷道圍巖的穩(wěn)定性。數(shù)值模擬和工程應(yīng)用均證明了該3號(hào)煤巷道采用頂板錨桿5根、兩幫各2根、長(zhǎng)2.5m，頂板錨索2根、長(zhǎng)6.3m的支護(hù)方案效果最佳，不僅能有效控制巷道圍巖的變形，還具有一定的施工經(jīng)濟(jì)性，對(duì)類似煤礦巷道支護(hù)提供了一定借鑒意義。