采動影響下巷道支護參數的模擬分析及應用

張志軍

（潞安集團潞寧煤業有限責任公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

潞寧煤業公司侏2#煤層二四采區位于礦田西南部，地面為中低山區，24102 工作面位于井田西南部的二四采區，是二四采區第一個工作面，上部、下部均為未采動區域，西部為礦井邊界（未采動部分），東部為二四采區三條下山。

煤質以氣煤，亮煤為主，具有金屬—玻璃光澤，堅硬、性脆，局部煤質松軟、破碎，煤層硬度為3.5，傾角3°～7°，24102 工作面平均走向長度為1 855 m，傾向長236 m，可采段煤層厚度3.8 m，預計可采儲量約2.462 08 Mt。煤層頂底板巖性及厚度特征見表1。潞寧煤業公司二四采區為二二采區的接替采區。二二采區采煤工作面常引起對應巷段的大巷圍巖出現明顯的失穩現象，花費大量的時間和資金去維護、返修。為避免在二四采區生產期間出現類似情況，本文以二四采區輔運大巷為背景展開研究。

表1 頂底板巖性特征

2 建立三維數值模型

參考鄰近的二二采區大巷圍巖破壞情況，巷道變形主要出現在對應位置兩翼工作面末采期間，由此可知，采煤工作面采動影響是大巷失穩變形的重要因素。為得到能夠抵御采煤工作面超前支承壓力影響的大巷支護方案，采用FLAC3D數值軟件進行模擬研究[1]，對采煤工作面采動影響下大巷的支護參數進行優化。根據二四采區的地質條件，并結合24102 首采工作面的開采技術條件，建立沿煤層傾向的計算模型，模型邊界條件及模擬方案見圖1。工作面沿模型X軸正方向推進，大巷位于工作面推進方向的前方，工作面采高為3.8 m，大巷寬度為5.0 m，高度為3.6 m，模型底部及四周邊界設置位移約束，頂面施加5.8 MPa 的垂直應力。工作面停采后與大巷間煤柱寬度為30 m。

圖1 數值模擬研究模型及方案

3 支護方案模擬分析

根據鄰近二二采區大巷支護方案，結合現場實地調研情況和工程類比經驗[2-3]，確定二四采區輔運大巷頂板支護采用規格Φ18.9 mm×8 300 mm 的鋼絞線錨索，頂板及兩幫均采用Φ20 mm 的螺紋鋼錨桿，通過數值模擬對錨桿預緊力、長度、間排、錨索間排距進行優選，單一支護參數發生變化時，輔運大巷其余支護參數參考鄰近二二采區大巷的支護，頂板和兩幫錨桿長度為2 000 mm，間排距為1 000 mm，預緊力為10 kN，頂板每排兩根錨索，排距3000 mm。錨桿預緊力取值范圍為10～20 kN。模擬方案：首先進行輔運大巷的開挖及支護，然后進行24102 工作面的回采，工作面回采完畢后，統計輔運大巷表面位移量。整理得到大巷表面位移量與錨桿預緊力的變化關系見圖2。

圖2 不同錨桿預緊力條件下巷道表面位移量變化規律

由圖2 可知：輔運大巷頂板下沉量明顯大于其余部位的變形，巷道底板變形量最小；錨桿預緊力變化對于頂板及兩幫變形量具有明顯影響，對底板底鼓量無明顯影響；錨桿預緊力由10 kN 增大為20 kN，大巷頂板及兩幫變形量顯著減小，錨桿預緊力繼續增大，大巷表面位移量減小趨勢漸緩。頂板和兩幫錨桿預緊力為20 kN 時，能夠獲得較好的支護效果。查閱相關文獻可知，錨桿預緊力和預緊扭矩的關系[4]：

P=M/（KD）

式中：P 為錨桿預緊力，kN；M 為錨桿安裝時施加的扭矩，N·m；D 為錨桿直徑，m；K 為與錨桿螺紋形式、桿徑等相關的系數，Φ20 mm 的高強度螺紋鋼K為0.38，錨桿安裝時預緊扭矩應大于152 N·m，考慮現場施工等因素，最終確定錨桿預緊扭矩應不小于200 N·m。

采用同樣方法對頂板錨桿長度和排距進行分析，錨桿長度為2.0～2.6 m，排距為700～1 000 mm，改變頂板錨桿長度（排距）大巷表面變形量變化規律見圖3。從圖3（a）可以看出：隨著錨桿長度的增大，大巷表面變形量逐漸減小。錨桿長度由2.0 m增大為2.4 m，巷大巷頂板及兩幫變形量減小顯著，長度增大至2.6 m，大巷表面變形量輕微減小，因此可知，頂板錨桿長度為2.4 m 較合理，同理由圖3（b）可確定頂板錨桿合理排距為800 mm。采用以上方法確定輔運大巷支護參數： 幫錨桿長度2.4 m，預緊扭矩不小于100 N·m，間排距800 mm，頂板錨索間排距2 000 mm×2 400 mm。

圖3 巷道表面變形量隨頂板錨桿長度及排距變化規律

4 輔運大巷支護及效果分析

4.1 輔運大巷支護

二四采區三條大巷平行布置，大巷間隔30 m煤柱，以鄰近24102 工作面的輔運大巷為例，結合上述數值模擬研究結果，其詳細支護情況見圖4。斷面尺寸寬、高為5.2 m、3.6 m；頂板和兩幫錨桿桿體規格為Φ20 mm×2 400 mm 的螺紋鋼，間排距均為800 mm。每孔錨桿錨固劑采用CK2335 型和Z2360 型樹脂藥卷各一支； 錨桿安裝時預緊扭距不小于200 N·m，兩側錨桿向巷道外側傾斜20°布置； 幫錨桿規格與頂板錨桿相同，錨固劑為一支CK2360 樹脂藥卷，預緊扭距不小于100 N·m，靠近頂角錨桿設置角錨桿，向上偏斜20°，靠近底板錨桿向下傾斜20°。頂板錨索采用規格為Φ18.9 mm×L8 300 mm 鋼絞線，同排錨索間距為2 000 mm，排距2 400 mm。

圖4 輔運大巷支護

4.2 支護效果分析

二四采區輔運大巷采用上述支護方式掘進期間，采用十字交叉法監測巷道表面變形量，整理得到圖5。輔運大巷掘進期間，兩幫移近變形最大速率為10.4 mm/d，最大移近量為63 mm，頂底板移近變形最大速率為7.2 mm/d，最大移近量為54 mm，巷道表面變形速率呈波動性減小，圍巖逐漸趨于穩定，支護效果良好。

圖5 巷道表面位移量變化曲線

同樣采用十字交叉法測量輔運大巷在24102 工作面回采前后表面變形量的變化。在24102 工作面采動影響下，輔運大巷頂底板移近量增大了35 mm，兩幫移近量增大了32 mm，大巷表面變形量很小，不影響其正常使用。

為考察24102 工作面對應區域大巷在采動影響下圍巖的破壞情況，在對應巷段內采用地質雷達進行圍巖松動圈測試，測點布置見圖6。24102 工作面回采結束后三條大巷圍巖松動圈測試結果見表2。由表2 可以看出，24102 工作面采動影響后，對應區域三條大巷頂板塑性破壞范圍深度為1.1～1.5 m，兩幫塑性破壞深度為1.1～1.9 m，底板塑性破壞深度為0.65～0.95 m； 頂板和兩幫錨桿長度為2.4 m，大巷圍巖松動圈發育深度均小于錨桿有效加固的深度，錨桿、錨索具有良好的支護性能，巷道圍巖整體穩定性較好。

圖6 大巷圍巖松動圈測點布置

表2 松動圈測試結果

5 結語

根據潞寧煤業公司二二采區大巷在工作面采動影響下的破壞特征，結合二四采區具體的地質條件，采用數值模擬軟件建立適當的三維模型，以二四采區輔運大巷為例，對其支護參數進行優化模擬研究，得到最佳錨桿預緊力、長度、間排距等具體參數。現場工程應用期間，通過現場勘查、監測驗證其支護效果，輔運大巷掘進期間，頂底板最大相對移近量為63 mm，兩幫最大移近量為54 mm，24102 工作面采動影響下，輔運大巷頂底板移近量共增加了35 mm，兩幫移近量增加了32 mm，輔運大巷表面變形量較小，不影響其正常使用。圍巖松動圈發育深度均小于錨桿有效加固的深度，巷道圍巖整體穩定性較好，成功解決了采動影響下大巷過度變形的問題。