水磨灣煤業(yè)22101工作面進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)方案優(yōu)化

高金平

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)大同有限公司山西大同037000)

1 工程概況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)水磨灣煤業(yè)有限責(zé)任公司，位于大同市左云縣東南25 km處，行政區(qū)劃左云縣，井田位于大同煤田東南部，東距大同市約60 km，西北距左云縣城25 km，現(xiàn)計(jì)劃回采22101 工作面，煤層傾角3°～10°，煤層厚度范圍為3.45 m～7.90 m，平均厚度為4.06 m，煤層沒有夾矸，結(jié)構(gòu)比較簡單。煤層頂板大多數(shù)為粉砂巖，煤層頂板結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，含0～5 層夾矸，為全井田可采的穩(wěn)定煤層。

如圖1所示，為進(jìn)風(fēng)巷道，支護(hù)方式為錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)，巷道斷面形狀為矩形，巷道凈高3 200 mm，凈寬4 000 mm，原支護(hù)頂錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格? 20×2 000 mm，間排距1 000×1 500 mm，外露長度250 mm，采用W 型鋼帶連接；頂板錨索采用? 18.9×7 300 mm 鋼絞線，間排距1 500×3 000 mm；幫錨桿間排距1 000×1 500 mm，每排布置3 根，采用? 18×1 800 mm左旋螺紋鋼。

圖1 22101工作面進(jìn)風(fēng)巷現(xiàn)有的支護(hù)設(shè)計(jì)圖

2 巷道破壞情況

（1）巷道破壞范圍廣。22101 工作面進(jìn)風(fēng)巷由于埋深大，導(dǎo)致圍巖呈現(xiàn)出工程軟巖特性，巷道圍巖呈現(xiàn)出一種松軟散落破碎的狀態(tài)。除此之外，經(jīng)過在現(xiàn)場測試圍巖松動(dòng)圈以及鉆孔窺視巷道發(fā)現(xiàn)，進(jìn)風(fēng)巷道遭受嚴(yán)重的破壞，存在的裂隙尺寸大，且較為發(fā)育。

（2）錨桿及其構(gòu)件失效。22101 工作面進(jìn)風(fēng)巷道改進(jìn)前的支護(hù)段，由于煤層埋藏的比較深，加上進(jìn)風(fēng)巷道實(shí)際的支護(hù)強(qiáng)度以及支護(hù)所需的錨桿本身強(qiáng)度的影響，進(jìn)風(fēng)巷道周圍巖層變形嚴(yán)重，其中一部分錨桿（索）失去應(yīng)有的支護(hù)作用。

（3）22101 工作面進(jìn)風(fēng)巷四周巖層呈現(xiàn)出一種松散破裂，周圍巖層裂隙比較大，節(jié)理比較發(fā)育，給進(jìn)風(fēng)巷道的支護(hù)帶來了很大的困難，巖層位置較低的地方影響尤為顯著，這種周圍巖層破斷離散的狀態(tài)，更容易引起進(jìn)風(fēng)巷道出現(xiàn)破碎形變，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)巷道失去應(yīng)有的穩(wěn)定狀態(tài)，致使巷道圍巖的塑性區(qū)兩幫沒有得到很好的控制，圍巖應(yīng)力集中明顯，兩幫的移近量很明顯，巷道頂板的移近距離比較大。

錨桿支護(hù)的主要目的是加固圍巖的承載能力，原支護(hù)方案支護(hù)力不強(qiáng),導(dǎo)致巷道周圍巖層整體提升強(qiáng)度不明顯，圍巖自身的承載能力低，頂板仍然處于高應(yīng)力狀態(tài)。

3 22101工作面進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)方案優(yōu)化

巷道采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，根據(jù)巷道實(shí)際現(xiàn)場情況及礦方現(xiàn)有材料，得出的優(yōu)化后的支護(hù)方案頂部錨桿加長，縮小間排距，采用? 20×2 500 mm型左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距900 mm×700 mm，邊錨桿與頂板夾角80°，錨固長度1 200 mm 進(jìn)行錨固，預(yù)緊力為43 kN；巷道兩幫各自多加一根錨桿，各4根錨桿，并且錨桿加長400 mm，采用? 20×2 200 mm型右旋螺紋鋼錨桿，縮小間排距為900 mm×700 mm，下錨桿與柱幫垂直方向夾角10°，上錨桿與柱幫垂直方向夾角15°，錨固長度600 mm，預(yù)緊力為30 kN。托盤：120 mm×120 mm鐵托盤：300 mm×200 mm×50 mm。錨索采用? 18.9-L8300 低松弛鋼絞線，間排距1 600 mm×1 400 mm，錨固長度為1.5 m，預(yù)緊力為100 kN。圖2為優(yōu)化后22101工作面進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)示意圖。

圖2 22101工作面進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)優(yōu)化示意圖

4 支護(hù)優(yōu)化后巷道變形情況模擬

為檢驗(yàn)優(yōu)化方案的可行性，通過FLAC3D 進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值計(jì)算模型模擬幾何尺寸：依據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，構(gòu)建長為200 m，高為80 m，寬為75 m的摩爾-庫倫模型，進(jìn)行三維計(jì)算模擬，對進(jìn)風(fēng)巷道周圍巖層的單元格進(jìn)行了加密處理，其目的是為了更深入的研究進(jìn)風(fēng)巷道圍巖的情況，每個(gè)單元格長度為0.5 m，在離巷道比較遠(yuǎn)且不影響模擬精確度的情況下，適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大網(wǎng)格尺寸，模型共劃分630 596節(jié)點(diǎn)，56.9萬個(gè)單元格，平均容重取2.5×104 N/m3,按照煤層柱狀圖將各個(gè)巖層依次分組，總共15層。

針對優(yōu)化支護(hù)之前的錨桿支護(hù)方案支護(hù)不理想這種情況，對現(xiàn)有的錨桿支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化支護(hù)后進(jìn)風(fēng)巷道圍巖應(yīng)力、相應(yīng)的變形及破壞情況的模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同支護(hù)體系下巷道圍巖垂直位移分布云圖

圖4 不同支護(hù)體系下巷道圍巖水平位移分布云圖

通過觀察圖3（b）及圖4（b）圍巖位移云圖可發(fā)現(xiàn)，總體看來，優(yōu)化的支護(hù)系統(tǒng)滿足了巷道的支護(hù)要求。

根據(jù)以上數(shù)值模擬結(jié)果，采用原始支護(hù)方案時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷道垂直中心軸的右側(cè)0.55 m位置處為進(jìn)風(fēng)巷道頂板的最大位移，最大移動(dòng)量為84.32 mm。進(jìn)風(fēng)巷道垂直中軸線右側(cè)1.36 m 的位置處為底板的最大位移，巷道底板的最大移動(dòng)量為32.30 mm；進(jìn)風(fēng)巷道垂直中心軸右側(cè)的0.80 m 的位置處為進(jìn)風(fēng)巷道頂板的最大位移，巷道最大移動(dòng)量為69.0 mm，進(jìn)風(fēng)巷道垂直中軸線右側(cè)1.50 m 的位置處為底板的最大位移，進(jìn)風(fēng)巷道頂板和底板移近程度顯著減少，總移近量為94.3 mm，比改進(jìn)前的支護(hù)方案減少了41%，其中頂板移近程度比原支護(hù)方案減少了43%，底板移近程度較原先的減少了28%。

根據(jù)以上圖4所示的圍巖的水平位移分布云圖的對比，發(fā)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)巷道兩幫最大移近量統(tǒng)一都向進(jìn)風(fēng)巷道頂板偏移，并且呈現(xiàn)非均勻分布，進(jìn)風(fēng)巷道兩側(cè)的最大位移點(diǎn)都各自不定量向巷道腰線上邊偏移，偏移量隨著巷道支護(hù)強(qiáng)度的增加而增大，說明巷道容易發(fā)生變形的區(qū)域在進(jìn)風(fēng)巷道腰線偏上的位置處，所以應(yīng)加強(qiáng)此區(qū)域的支護(hù)強(qiáng)度。同時(shí)，優(yōu)化后的方案對兩幫變形的控制效果明顯。

采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，巷道圍巖變形程度顯著減少，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案效果更好。

5 圍巖控制效果分析

圖5 圍巖垂直應(yīng)力曲線

對圖5分析可知：采用優(yōu)化支護(hù)方案，大約在巷道兩幫腰線的位置處，為進(jìn)風(fēng)巷道所受到的應(yīng)力最高點(diǎn)，進(jìn)風(fēng)巷道左側(cè)所受到的應(yīng)力范圍為22.5 MPa～40 MPa，距離進(jìn)風(fēng)巷道邊緣2.23 m～3.9 m 處大約為最高點(diǎn)的位置；進(jìn)風(fēng)巷道右邊所受到的應(yīng)力范圍為24.7 MPa～48.9 MPa，距進(jìn)風(fēng)巷道邊緣1.6 m～3.5 m處為所受應(yīng)力最高，從距離采煤工作面15 m的監(jiān)測斷面的位置開始，所受到的應(yīng)力峰值逐漸上升，距巷道邊緣距離也跟著突然陡增，說明回采對應(yīng)力變化的影響超前約15 m左右。

綜合分析，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，回采期間周圍巖層應(yīng)力及應(yīng)力的影響程度得到了很好得控制。

6 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

得到優(yōu)化方案后，礦方?jīng)Q定在22101 工作面進(jìn)風(fēng)巷巷道掘進(jìn)面后100 m 的試驗(yàn)段進(jìn)行優(yōu)化方案驗(yàn)證，并且在試驗(yàn)段每隔10 m 處斷面安裝多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行檢測，檢測周期為15 天，試驗(yàn)段所得監(jiān)測數(shù)據(jù)整理如圖6所示。（實(shí)驗(yàn)段頂板下沉量實(shí)驗(yàn)段兩幫收斂量）

圖6 掘進(jìn)過程中巷道斷面圍巖變化

由圖6 可知，巷道頂板下沉量隨時(shí)間增長逐漸增大，最后穩(wěn)定在33.8 mm，兩幫移近量隨時(shí)間逐漸增大，最后穩(wěn)定在9.44 mm。通過對試驗(yàn)段的跟蹤監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)段巷道頂板穩(wěn)定性良好，巷道頂板沒有出現(xiàn)任何裂縫，巷道兩幫也沒有片幫情況出現(xiàn)。說明在15天內(nèi)巷道頂板及兩幫一直處于不斷變形的階段，隨著時(shí)間的推移最終位移趨于穩(wěn)定，圍巖變形將得到良好的控制。

綜上，在應(yīng)用優(yōu)化后的支護(hù)方案后，巷道兩幫及頂?shù)装宓淖冃尉刂圃谠试S范圍，能夠滿足巷道通風(fēng)及行人的要求，雖然靠近工作面?zhèn)鹊南飵蜕罨c(diǎn)變形較大，但是整體性良好，因此22101工作面進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)合理，在掘進(jìn)過程中能夠保證巷道正常安全的使用。

7 結(jié)論

水磨灣煤業(yè)22101 工作面進(jìn)風(fēng)巷為厚煤層巷道，通過現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)巷道產(chǎn)生變形的原因是：受掘進(jìn)影響，22101 工作面進(jìn)風(fēng)巷原支護(hù)對頂板巖層及兩幫的控制力度不夠，導(dǎo)致頂板下沉量大，巷道收斂變形大，造成巷道頂板煤巖易整體碎落，部分錨索斷裂失效，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化。經(jīng)過數(shù)值模擬及現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)測，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的支護(hù)體系能夠保證22101 工作面進(jìn)風(fēng)巷在掘進(jìn)過程中巷道正常安全的使用。