陽(yáng)煤二礦81215 回風(fēng)順槽圍巖支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

耿永飛

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司二礦，山西 陽(yáng)泉 045008）

1 工程概況

陽(yáng)煤集團(tuán)二礦81215 綜放工作面位于+470 m水平，15#煤十二采區(qū)。工作面東部為81219 工作面采空區(qū)，西部為尚未掘進(jìn)的81213 工作面，北部為礦界保護(hù)煤柱，南部為15#煤十二區(qū)準(zhǔn)備巷。工作面開(kāi)采15#煤層，煤層厚度為5.08～7.07 m，平均厚度6.40 m，平均含2 層夾矸，屬?gòu)?fù)雜煤層。工作面區(qū)域煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚4.3 m；基本頂為石灰?guī)r，均厚4.66 m；底板巖層為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖。

81215 回風(fēng)順槽主要為工作面提供回風(fēng)、行人、輔助運(yùn)輸?shù)确?wù)，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，為全煤巷道，巷道凈寬×凈高=4200 mm×3000 mm，巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)。錨桿采用規(guī)格為Φ20 mm×2200 mm 的螺紋鋼錨桿，頂幫錨桿的間排距分別為800 mm×900 mm 和900 mm×900 mm，錨索采用規(guī)格為Φ21.6 mm×8300 mm 的1×7 股鋼絞線，錨桿索之間采用W 型鋼帶進(jìn)行聯(lián)結(jié)，頂板及巷幫采用金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，如圖1。巷道掘進(jìn)50 m后，通過(guò)圍巖變形量觀測(cè)可知，巷道變形量較大，頂板最大下沉量為300 mm，巷道兩幫最大移近量達(dá)到500 mm，嚴(yán)重影響巷道的正常使用，故需對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 回風(fēng)順槽原有支護(hù)方式示意圖

2 錨桿（索）支護(hù)數(shù)值模擬分析

為確定巷道支護(hù)的合理參數(shù)，根據(jù)81215 回風(fēng)順槽的地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行圍巖支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)分析。建立數(shù)值模型的長(zhǎng)×寬×高=130 m×20 m×60 m，模型中回風(fēng)順槽的尺寸為寬×高=4.8 m×3.0 m。模型邊界條件為前后左右四面限制水平方向的位移，模型底部限制垂直方向的位移，模型上部根據(jù)工作面地質(zhì)條件，施加與上覆巖層載荷相等的均布載荷9.75 MPa，模型的側(cè)向系數(shù)設(shè)置為1.2[1-3]，根據(jù)巷道地質(zhì)條件進(jìn)行頂?shù)装鍘r層各項(xiàng)參數(shù)的賦值。具體頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，數(shù)值模型如圖2。

表1 頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)表

圖2 數(shù)值模型示意圖

為確保81215 回風(fēng)順槽支護(hù)方案的合理性，現(xiàn)進(jìn)行錨桿長(zhǎng)度、錨桿間排距、錨桿預(yù)緊力、錨索間排距的模擬分析，具體模擬方案見(jiàn)表2。

表2 錨桿（索）參數(shù)模擬方案

（1）錨桿長(zhǎng)度。在進(jìn)行錨桿長(zhǎng)度模擬分析時(shí)，僅改變錨桿長(zhǎng)度，原有支護(hù)方案中的其余參數(shù)均不改變，通過(guò)對(duì)錨桿長(zhǎng)度的數(shù)值模擬研究，能夠得出巷道在不同錨桿長(zhǎng)度下圍巖變形量的數(shù)據(jù)[4-5]。根據(jù)不同錨桿長(zhǎng)度下圍巖變形量的數(shù)據(jù)值可繪制出如圖3 曲線圖。

圖3 不同錨桿長(zhǎng)度下圍巖變形曲線圖

分析圖3 可知，巷道圍巖變形量隨著錨桿長(zhǎng)度的增大而不斷減小。其中，錨桿長(zhǎng)度由2.0 m 增大為2.4 m 時(shí)，巷道圍巖變形量的降低幅度較大，頂板下沉量降幅66.36%，煤柱幫降幅37.37%，實(shí)體煤幫的降幅64.19%；當(dāng)錨桿長(zhǎng)度大于2.4 m 后，隨著錨桿長(zhǎng)度的不斷增大，此時(shí)圍巖變形量的降低幅度大幅減小；錨桿長(zhǎng)度增大到2.6 m 時(shí)，錨桿圍巖的變形量相較于2.4 m 時(shí)的降幅在10%～14%的范圍內(nèi)。故綜合巷道地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)安全因素，確定錨桿的長(zhǎng)度為2.4 m。

（2）錨桿間排距。進(jìn)行錨桿間排距模擬時(shí)，同樣僅改變錨桿間排距。根據(jù)模擬結(jié)果得出不同錨桿間排距下圍巖變形曲線如圖4。

分析圖4 可知，巷道圍巖變形量隨著錨桿間排距的增大而不斷增大。圍巖變形量在錨桿間排距由0.8 m 增大為1 m 時(shí)開(kāi)始大幅增大，在錨桿間排距為0.6 m 和0.8 m 時(shí)，巷道圍巖頂板下沉量、兩幫移近量和底鼓量均相對(duì)較小。據(jù)此考慮到安全和經(jīng)濟(jì)方面的因素，確定錨桿間排距為0.8 m。

圖4 不同錨桿間排距下圍巖變形曲線圖

（3）錨索間排距。在進(jìn)行錨索間排距模擬分析時(shí)，除改變錨索間排距參數(shù)外，其余參數(shù)均設(shè)置為原支護(hù)參數(shù)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出錨索不同間排距下圍巖變形曲線如圖5。

圖5 不同錨索間排距下圍巖變形曲線圖

分析圖5 可知，巷道圍巖變形量隨著斷面內(nèi)錨索數(shù)量的增多而不斷減小。在巷道斷面內(nèi)每排布置1 根錨索，排距為1.6 m 時(shí)，巷道底板鼓起量較大，達(dá)到0.8 m，其次頂板下沉量達(dá)到370 mm；當(dāng)巷道斷面內(nèi)每排布置3 根錨索，間排距為1.6 m×1.6 m時(shí)，相較于第一種模擬方案，圍巖變形量大幅下降，其中頂板下沉量降幅最大，達(dá)到62.27%；當(dāng)錨索間排距為1.6 m×1.6 m 時(shí)，再進(jìn)一步縮小錨桿間排距時(shí)，圍巖變形量的降低值便很小。綜合類似工程實(shí)踐結(jié)論[6-7]，確定巷道每排布置3 根錨索，錨索間排距為1.6 m×1.6 m。

3 支護(hù)方案及效果

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述錨桿（索）支護(hù)參數(shù)的模擬結(jié)果，結(jié)合巷道圍巖在原有支護(hù)方案下的變形情況，進(jìn)行81215 回風(fēng)順槽支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)。錨桿采用規(guī)格Φ20 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為0.8 m×0.8 m，錨固采用加長(zhǎng)錨固，托盤(pán)采用蝶形鋼托盤(pán)，預(yù)緊力為250 N·m，兩頂角錨桿與頂板成20°布置，其余均垂直頂板布置；錨索采用Φ21.6 mm×8300 mm 低松弛高強(qiáng)度1×7 股鋼絞線，每排布置3 根，間排距為1.6 m×1.6 m，錨固方式為加長(zhǎng)錨固，托盤(pán)采用規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm 的蝶形托盤(pán)，預(yù)緊力為120 kN，錨索均垂直于巷道頂板布置，錨桿索間采用鋼筋梯子梁進(jìn)行連接，采用10#鐵絲編制的金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂。

（2）兩幫支護(hù)。幫部錨桿的各項(xiàng)參數(shù)均與頂板錨桿相同，幫部靠近底角的錨桿與巷幫成35°布置，幫角靠近頂板錨桿與巷幫成20°布置；另外在巷道幫部補(bǔ)設(shè)錨索，錨索為Φ21.6 mm×4200 mm 低松弛高強(qiáng)度1×7 股鋼絞線，每排布置兩根，間排距為1.4 m×1.6 m，錨索預(yù)緊力為120 kN，錨網(wǎng)索間同樣采用鋼筋梯子梁進(jìn)行連接，金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫。

具體回風(fēng)順槽優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖6。

圖6 81215 回風(fēng)順槽優(yōu)化后支護(hù)布置圖

3.2 效果分析

在81215 回風(fēng)順槽支護(hù)方案優(yōu)化后，巷道掘進(jìn)期間進(jìn)行圍巖變形量的監(jiān)測(cè)分析，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出圍巖變形量曲線如圖7。

分析圖7 可知，81215 回風(fēng)順槽巷道在優(yōu)化后的支護(hù)方案實(shí)施后，圍巖變形主要出現(xiàn)在巷道掘進(jìn)完成后20 d 內(nèi)。當(dāng)巷道掘出后20 d 后，圍巖變形速率逐漸減小；當(dāng)巷道掘出后30 d 時(shí)，圍巖變形基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。最終巷道頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)近量為140 mm，兩幫最大移近量為120 mm，圍巖變形得到有效控制。

圖7 支護(hù)優(yōu)化后圍巖變形曲線圖

4 結(jié)論

根據(jù)81215 回風(fēng)順槽在原有支護(hù)方式下圍巖變形情況，通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行錨桿（索）支護(hù)合理支護(hù)參數(shù)的分析，確定了錨桿長(zhǎng)度、間排距和錨索間排距，結(jié)合巷道地質(zhì)條件，進(jìn)行巷道優(yōu)化支護(hù)方案的設(shè)計(jì)，在幫部增設(shè)了錨索。根據(jù)支護(hù)方案實(shí)施后的圍巖變形情況可知，優(yōu)化后支護(hù)方案保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。