趙莊煤礦2#底抽巷圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)技術(shù)研究

謝志強(qiáng)

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司趙莊煤業(yè)，山西 長治 046600）

礦井瓦斯事故作為制約礦井安全生產(chǎn)的重要危害之一，在煤礦五大災(zāi)害中位居首位[1]。由于瓦斯?jié)舛冗^高會(huì)造成瓦斯積聚，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)瓦斯爆炸，在治理瓦斯時(shí)，常采用高位巷與底抽巷施工穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采[2]，高位巷和底抽巷在服務(wù)期間的穩(wěn)定性極為重要。為此，許多工程人員經(jīng)過現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，取得了一定的成果[3-4]，但是，對于底抽巷的巷道圍巖穩(wěn)定性特征分析研究較少。本文以2319工作面2#底抽巷為研究背景，分析在采動(dòng)影響下的圍巖變形特征，并給出合理的巷道支護(hù)方案。

1 工程背景

趙莊煤礦2319 工作面開采的3#煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度2.9 m，瓦斯涌出量為0.94 m3/t。為對該工作面進(jìn)行瓦斯治理，設(shè)計(jì)兩條底抽巷。2#底抽巷長961.6 m，矩形斷面，凈寬4.0 m，凈高3.1 m，凈斷面積12.4 m2。巷道頂?shù)装鍘r性見表1。1#底抽巷支護(hù)方式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，頂板選用規(guī)格為Ф18 mm×1800 mm 高強(qiáng)錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm，采用2 支MSCK2350 樹脂藥卷錨固；錨索采用Ф15.24 mm、長度4500 mm 的7 股低松弛鋼絞線，每排3 根，間距為2600 mm。兩幫采用Ф18 mm×1600 mm 的圓鋼錨桿，間排距為1300 mm×1000 mm；頂板與兩幫都采用LW10/70-1450×4500 金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格70 mm×70 mm，網(wǎng)片規(guī)格為4500 mm×1450 mm。

該巷因受采動(dòng)影響，在服務(wù)期間，巷道整體變形嚴(yán)重，錨桿、錨索脫落，冒頂事故時(shí)有發(fā)生。為了使2#底抽巷安全有效地服務(wù)該工作面，需對該底抽巷進(jìn)行合理方案設(shè)計(jì)。

表1 巷道頂?shù)装鍘r性

圖1 2319 巷現(xiàn)場調(diào)研圖

2 巷道破壞原因

（1）高地應(yīng)力

為了獲取實(shí)際的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，在2319 工作面2#底抽巷進(jìn)行了2 組鉆孔地應(yīng)力測試試驗(yàn)。測點(diǎn)1 處最大、最小水平主應(yīng)力分別為16.08 MPa 和9.45 MPa，垂直主應(yīng)力為11.36 MPa；測點(diǎn)2 處最大、最小水平主應(yīng)力分別為12.58 MPa、8.04 MPa，垂直主應(yīng)力為11.12 MPa。在巷道圍巖中水平主應(yīng)力占主導(dǎo)位置，垂直應(yīng)力次之。當(dāng)水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力差值較大時(shí)，巷道會(huì)容易發(fā)生剪切破壞。同時(shí)，再加上2319 工作面采動(dòng)的影響，巷道掘進(jìn)在雙重?cái)_動(dòng)的應(yīng)力下，圍巖應(yīng)力提高至原來的兩倍左右，高應(yīng)力集中致使巷道破壞。根據(jù)1#底抽巷發(fā)生的錨桿、錨索等支護(hù)體失效現(xiàn)象，說明原支護(hù)參數(shù)下錨桿的錨固力150 N·m 及錨索的預(yù)緊力200 N·m不足以滿足支護(hù)需要。原巖應(yīng)力高、支護(hù)參數(shù)不合理及臨近采動(dòng)影響是巷道圍巖變形破壞的主要原因。

（2）支護(hù)體失效

實(shí)際調(diào)研情況能夠看出，1#底抽巷在使用期間，巷道局部錨桿脫落、金屬網(wǎng)斷開，推測此時(shí)在巷道內(nèi)部的支護(hù)體已局部失效，巷道處于開放支護(hù)狀態(tài)，發(fā)生大面積變形破壞。

3 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)2319 工作面2#底抽巷實(shí)際地質(zhì)條件，適當(dāng)簡化模型，建立模型尺寸為120 m×60 m×80 m，根據(jù)研究要求劃分6 類大小不同的單元，共28 900個(gè)模擬單元。3#煤層頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)見表2。

表2 3#煤層頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)表

數(shù)值模擬設(shè)定在底板表面處完全約束，對模型四周施加水平約束，同時(shí)在模型上表面施加固定載荷以模擬未建模的巖層對模型施加的重力，定義模型本構(gòu)關(guān)系為莫爾-庫倫本構(gòu)關(guān)系，數(shù)值模擬模型圖如圖2。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

3.2 模擬結(jié)果分析

2319 底抽巷的應(yīng)力分布情況隨2319 工作面的推進(jìn)不斷升高。當(dāng)2319 底抽巷巷道變形趨于穩(wěn)定時(shí)，對巷道圍巖應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測，2319 底抽巷巷道變形量如圖3。由圖3 可知，2319 底抽巷巷道頂板下沉量較大，達(dá)到183.5 mm，底板圍巖變形量為158.7 mm。

圖3 垂直位移分布云圖

隨著2319 工作的回采，2319 工作面及2319 軌道巷應(yīng)力發(fā)生較大變化，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力降低區(qū)，造成了區(qū)域內(nèi)的圍巖破壞，同時(shí)2319 工作面煤體及頂?shù)装灏l(fā)生應(yīng)力集中，應(yīng)力分布云圖如圖4。由圖4 可知，2319 底抽巷處于應(yīng)力集中區(qū)與應(yīng)力降低區(qū)的交接位置，此時(shí)應(yīng)力已開始逐漸減弱，頂板穩(wěn)定性良好，頂板圍巖應(yīng)力為11.5 MPa，巷道整體圍巖應(yīng)力較大，且巷道左右兩側(cè)的應(yīng)力基本呈對稱分布，應(yīng)力升高區(qū)主要集中在巷道頂板處及巷道底角處，對巷道產(chǎn)生了一定程度的破壞，此時(shí)的局部支護(hù)體已失效。

圖4 巷道垂直應(yīng)力云圖

4 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

通過巷道圍巖變形和垂向應(yīng)力分析可知，2319底抽巷首先破壞變形的位置是頂板，其次是兩幫，垂直應(yīng)力區(qū)間值為13～19 MPa。巷道采用錨、網(wǎng)、梁、索、聯(lián)合支護(hù)方式。

4.1 頂板支護(hù)

采用Φ22#左旋無縱筋螺紋鋼、長2400 mm的錨桿，桿尾螺紋為M24，配套使用調(diào)心球墊及減摩墊，強(qiáng)度不低于500 MPa，錨桿間排距為900 mm×900 mm，預(yù)緊扭矩不低于280 N·m，且不 超 過350 N·m，采 用2 支 規(guī) 格 為MSK2335 和MSZ2360 樹脂藥卷進(jìn)行錨固，鉆頭直徑為28 mm，鉆孔直徑為30 mm；托盤采用拱形高強(qiáng)度托盤，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，承載能力不低于280 kN。錨索采用1×19 股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，Φ=22 mm，長度6300 mm，尾部配有高強(qiáng)度鎖具。錨索每排5 根，間距為2200 mm；托盤采用高強(qiáng)度碟形托盤；托梁采用Φ14 mm 的鋼筋焊接而成，寬80 mm，長3700 mm。

網(wǎng)片采用10#鐵絲編織，網(wǎng)孔規(guī)格為30 mm×30 mm，網(wǎng)片規(guī)格為5500 mm×1000 mm，網(wǎng)片之間相互搭接。

4.2 巷幫支護(hù)

采用Φ22#左旋無縱筋螺紋鋼、長2400 mm的錨桿，桿尾螺紋為M24，配套使用調(diào)心球墊及減摩墊，強(qiáng)度不低于500 MPa，間排距為900 mm×900 mm，預(yù)緊力矩不小于200 N·m，采用2支型號為MSK2335 和MSZ2360 的樹脂加長錨固，鉆孔直徑為30 mm；托盤采用拱形高強(qiáng)度托盤，承載能力不低于300 kN；網(wǎng)片規(guī)格及鋪設(shè)方法與護(hù)頂網(wǎng)片相同；采用W 鋼護(hù)板支護(hù)，W 鋼護(hù)板規(guī)格5 mm×280 mm×450 mm。幫錨桿打設(shè)時(shí)，幫角錨桿沿水平線偏轉(zhuǎn)10°，距頂板距離100 mm，距底板距離300 mm。

5 應(yīng)用效果

5.1 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)上述優(yōu)化的支護(hù)方案參數(shù)，在2#底抽巷選擇一段長50 m 的試驗(yàn)巷道，按照優(yōu)化后的支護(hù)方案進(jìn)行巷道支護(hù)，巷道支護(hù)施工斷面如圖5。

圖5 巷道支護(hù)斷面布置參數(shù)

5.2 支護(hù)效果分析

在巷道內(nèi)部布設(shè)3 個(gè)測站觀測巷道變形情況，巷道變形曲線圖如圖6。

圖6 巷道監(jiān)測效果圖

從圖中可以看出：經(jīng)過80 d 對巷道圍巖變形進(jìn)行觀測，巷道在觀測初期圍巖變形量較大，后期圍巖變形量趨于穩(wěn)定。由圖6（a）可知，三個(gè)測站的最大頂板移進(jìn)量分別為53 mm、51 mm、52 mm；由圖6（b）可知，三個(gè)測站的最大兩幫移進(jìn)量分別為26 mm、27 mm、32 mm。優(yōu)化后的支護(hù)方案實(shí)現(xiàn)了對巷道穩(wěn)定性的有效控制，提高了巷道的安全性。

6 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬表明，巷道圍巖變形量的不同位置及垂直應(yīng)力分布的情況是影響底抽巷變形破壞的因素，其中垂直應(yīng)力分布的集中程度對巷道支護(hù)和維護(hù)起重要作用。

（2）從監(jiān)測效果中可以看出，盡管巷道頂板移進(jìn)量與兩幫變形量有所增加，但最終趨于穩(wěn)定，有效控制了巷道變形，提高了巷道穩(wěn)定性。

（3）在底抽巷道服務(wù)期間，未發(fā)生頂板整體下沉量大、支護(hù)體失效等問題，保證了煤礦的安全生產(chǎn)。