木瓜礦10-1002 工作面軟弱圍巖巷道支護技術研究與應用

夏鵬飛

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦10-1002 工作面位于一采區準備大巷左翼。工作面以東145 m 為南區集中皮帶巷；以南為實體煤，緊鄰一采區邊界；以西為實體煤；以北為一采區三條大巷。工作面開采10#煤層，煤層平均厚度為2.85 m，平均傾角為6°。煤層結構復雜，煤層中部夾三層炭質泥巖，煤層厚度變化不大，屬較穩定煤層。工作面區域煤層頂底板巖層特征見表1。

表1 煤層頂底板巖層特征表

10-1002 巷為工作面回采時運料、行人等服務，巷道10#煤層底板掘進，凈度×凈高=4.4 m×2.8 m。由于巷道頂底板巖層均為泥巖，且泥巖內節理裂隙較為發育，10#煤層結構也較為復雜，故巷道圍巖屬于軟弱圍巖。為保障巷道圍巖穩定，特進行支護技術研究。

2 巷道支護參數分析

2.1 支護原則

根據10-1002 巷的地質資料可知，巷道圍巖較為松軟破碎，且巷道掘進區域地質構造較多，巷道掘進期間應力環境較為復雜。根據10-1001 巷的掘進資料可知，巷道采用錨網索支護時，圍巖變形量較大，且呈現出明顯的非對稱性，圍巖變形主要表現為頂板整體下沉和兩幫煤體向巷道內收斂。基于鄰近巷道的變形情況，故在進行10-1002 巷道支護方案設計時，支護重點為控制巷道兩幫圍巖的穩定。

基于眾多支護理論研究及工程實踐結果可知[1-2]，針對軟弱圍巖進行支護時，首先應采用錨桿與鋼筋網（金屬網）將淺部破碎的圍巖體連接成一個整體，形成淺部圍巖體的基礎承載結構，再進一步通過高預應力錨索將淺部圍巖與深部穩定巖層連接為一個整體，充分發揮深部圍巖自身的承載能力，同時高預應力錨桿也可對淺部破碎圍巖基礎承載結構中的薄弱部位進行補強，以充分保證頂板巖層穩定。根據10#煤層結構復雜、節理裂隙發育的特征，并結合巷道兩幫變形不均勻的情況可知，巷道左幫變形量明顯大于右幫，故在進行支護方案設計時應增強巷道左幫的支護強度，確保巷道頂板與兩幫支護結構可形成協調支護[3-4]，保障巷道圍巖的整體穩定。

2.2 支護參數設計

根據上述支護原則，結合巷道的地質條件，為提升巷道右幫的支護強度，結合國內外眾多工程實踐[5]，初步確定巷道左幫采用普通左旋螺紋鋼錨桿，右幫采用自攻錨桿。自攻錨桿結構特征如圖1，其主要通過桿體上的旋絲與煤巖體之間形成多點接觸，實現將錨桿上的預應力更為有效、均勻地擴散至圍巖內。采用自攻錨桿支護時，在巷道圍巖產生一定變形后，桿體受到的擠壓應力會不斷增大，進而進一步增強桿體與煤巖體的接觸，桿體與煤巖體間的摩擦阻力也隨著逐漸增大，進而實現阻止圍巖進一步變形的目的[6-7]。

圖1 自攻錨桿結構示意圖

基于礦井鄰近巷道的支護方案及自攻錨桿的特征，為確定巷道的合理支護方案，現采用FLAC3D數值模擬軟件進行支護方案的設計。設計三組支護方案進行對比分析，具體三種模擬方案的支護參數如下：

（1）方案一：巷道采用普通錨網索支護，頂板采用Φ22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為950 mm×1000 mm；頂板布置2 個錨索，錨索采用高強度低松弛鋼絞線，規格為Φ21.6 mm×6300 mm，間排距為1500 mm×2000 mm；巷幫頂角和底角錨桿采用與頂板規格、材質相同的錨桿，幫部煤體部分采用全長自攻錨桿，規格為Φ22 mm×2500 mm，其余錨桿采用Φ22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿。錨桿與錨索間通過鋼筋梯子梁連接，巷道表面鋪設10#鐵絲編制的金屬網。

（2）方案二：在方案一支護參數的基礎上，調整頂板錨桿的排距為800 mm，頂板錨索間排距為1500 mm×1600 mm。

（3）方案三：在方案二支護參數的基礎上，巷道左幫頂角和底角錨桿采用Φ22 mm×2500 mm的全長自攻錨桿，煤體部分錨桿采用規格為Φ22 mm×3500 mm 的全長自攻錨桿。

根據數值模擬結果能夠得出三種不同支護方案下的圍巖變形量及巷道不均變形系數，具體對比分析如下：

（1）圍巖變形量。巷道在三種支護方案下圍巖變形量曲線如圖2。

分析圖2 可知，巷道在三種支護方案下，隨著支護強度的增大，圍巖變形量呈現逐漸降低的趨勢。巷道在第一種支護方案下圍巖變形量較大，其中頂板下沉量、右幫位移量、左幫位移量最大值分別為210 mm、194 mm 和246 mm，巷道兩幫仍表現為明顯的不均勻變形特征；巷道在采用支護方案二后，巷道圍巖變形量明顯減小，圍巖變形量基本滿足要求，但此時巷道左右兩幫仍呈現出明顯的不對稱變形，左幫最大變形量為175 mm，右幫最大變形量為138 mm；當巷道采用支護方案三時，圍巖變形量進一步減小，巷道左右兩幫的變形量也基本相同，頂板下沉量及左右兩幫變形量均在150 mm 以內，可保障圍巖的穩定。

（2）巷道不均勻變形系數。根據數值模擬結果能夠得出巷道在三種支護方案下的不均勻變形系數如圖3。

圖3 巷道不均勻變形系數曲線圖

分析圖3 可知，巷道在采用方案一進行圍巖控制時，最大不均勻變形系數為4.1，采用方案二進行圍巖控制時，最大不均勻系數為3.6，采用方案三時最大不均勻系數僅為2.6。據此可知巷道由方案一變為方案二支護時，圍巖變形不均勻系數降低幅度較小，而巷道由方案二變為支護方案三時，圍巖不均勻系數大幅下降，巷道頂底板及兩幫變形量均較為協調，即巷道的不均勻變形得到了有效控制。

巷道在采用支護方案三時，圍巖變形量得到了有效控制，且巷道的不均勻變形也得到了有效解決，保障了兩幫的均勻變形，實現了巷道內的協調支護，能夠有效地保障巷道圍巖的穩定。

3 支護方案及效果

3.1 支護方案設計

（1）頂板支護。巷道頂板采用Φ22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為950 mm×800 mm，托盤采用鼓形托盤，錨固方式為端頭錨固，預緊扭矩為250 N·m。錨索采用1×7 股鋼絞線，參數為Φ21.6 mm×6300 mm。每兩排錨桿間布置兩根錨索，錨索間排距為1500 mm×1600 mm，錨桿與錨索之間采用長度為1800 mm 的鋼筋梯子梁連接，10#鐵絲編制的金屬網進行護頂。

（2）兩幫支護。煤柱幫煤體部分錨桿采用Φ22 mm×3500 mm 的全長自攻錨桿，間排距為800 mm×800 mm，幫頂角和幫底角錨桿采用規格為Φ22 mm×2500 mm 的全長自攻錨桿，錨桿預緊力均為200 N·m，幫頂角和幫底角錨桿與巷幫成15°布置，其余錨桿均垂直于巷幫布置；巷道回采幫中部煤體部分錨桿采用Φ22 mm×2500 mm 的全長自攻錨桿，錨索參數同煤柱幫，頂角和底角錨桿采用規格Φ22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿，排距800 mm，預緊扭矩為200 N·m。幫部錨桿采用圓鋼焊接長度為2700 mm 的鋼筋梯子梁連接，金屬網護幫。

具體10-1002 巷道的支護方式示意圖如圖4。

圖4 10-1002 巷道支護斷面示意圖

3.2 效果分析

10-1002 巷道支護方案實施后，通過巷道掘進期間的圍巖變形監測分析，能夠得出巷道圍巖變形量隨時間變化的曲線圖如圖5。

分析圖5 可知，隨著巷道掘出時間的增長，巷道圍巖頂底板和兩幫移近量均不斷增大。頂底板及兩幫變形主要集中在巷道掘出后0～30 d 內，當巷道掘出后30 d 后，圍巖變形速率大幅減小，圍巖變形逐漸趨于穩定，最終巷道頂底板及兩幫最大變形量分別為169 mm 和195 mm，圍巖變形量較小，支護方案保障了巷道圍巖的穩定。

圖5 巷道圍巖變形量曲線圖

4 結論

根據10-1002 巷道的地質條件及鄰近巷道支護經驗，通過分析巷道條件確定巷道支護重點為控制巷道兩幫圍巖的穩定，進一步采用數值模擬進行支護參數的設計分析，確定巷道幫部采用全長自攻錨桿，結合巷道特征進行具體支護參數設計。根據巷道圍巖變形曲線可知，支護方案保障了巷道圍巖的穩定。