大斷面不穩(wěn)定巖層巷道支護(hù)技術(shù)研究

何 寧

（山西焦煤霍州煤電紫晟煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

1 工程概況

紫晟煤業(yè)2-1012 巷位于2#煤層一采區(qū)，擔(dān)負(fù)2-101 工作面回風(fēng)及運(yùn)料。巷道底板標(biāo)高為+94～+148 m，對應(yīng)地表標(biāo)高+530～+624 m，巷道北部聯(lián)接2#煤層一采區(qū)膠帶上山大巷，南部為礦井井田邊界，東部為實(shí)體煤，西部為2-101 工作面。巷道頂?shù)装鍘r性較差，直接頂薄層狀以砂質(zhì)泥巖為主，有星散狀白云母及黃鐵礦，直接底以薄層狀砂質(zhì)泥巖為主，有黃鐵礦星散。2-1012 巷沿煤層頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)斷面尺寸為5.2 m×4.0 m，凈斷面積為20.8 m2，屬于大斷面不穩(wěn)定巷道[1-3]。

2 巷道支護(hù)方案數(shù)值模擬研究

2.1 模型的建立

根據(jù)2-1012 巷頂?shù)装鍘r層賦存情況，采用FLAC3D建立數(shù)值模型，模型尺寸為50 m×50 m×5 m，模型上表面施加11.25 MPa（450 m×25 000 kN/m3）垂直應(yīng)力用以模擬上覆巖層重力，模型其他邊界以位移約束。模型采用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則[4]，煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。分別模擬三種不同支護(hù)設(shè)計(jì)方案下巷道圍巖破壞情況及圍巖位移量，從而選擇最優(yōu)的支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

結(jié)合2#煤層其他回采巷道支護(hù)方案，決定采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)” 的支護(hù)方式。目前紫晟煤業(yè)常用錨桿的長度為分別為2.2 m 和2.4 m，因此，模擬共采用錨桿長度相同預(yù)緊力不同和預(yù)緊力相同錨桿長度不同情況下的三種支護(hù)方案，見表2。

表2 模擬支護(hù)設(shè)計(jì)方案

2.2 模擬結(jié)果分析

2-1012 巷掘進(jìn)后三種支護(hù)方案下巷道圍巖塑性區(qū)分布情況見圖1。由圖1可知，三種支護(hù)方案下圍巖塑性區(qū)均在可控范圍內(nèi)，即三種方案都可以很好的對巷道圍巖進(jìn)行控制。但比較三種支護(hù)方案可知，支護(hù)方案1 條件下巷道圍巖塑性區(qū)最為發(fā)育，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥畲笃茐纳疃瓤蛇_(dá)1 m，圍巖以拉伸破壞為主。對比方案1 和方案2 可知，錨桿預(yù)緊力對于圍巖的穩(wěn)定性具有重要作用，預(yù)緊力過低將導(dǎo)致圍巖塑性區(qū)大范圍發(fā)育。對比支護(hù)方案3 與方案2 可知，錨桿及錨索長度雖然有所降低，但圍巖塑性區(qū)范圍卻變化不大。

圖1 巷道圍巖塑性區(qū)分布情況

綜合比較3 種支護(hù)方案可以發(fā)現(xiàn)，圍巖塑性區(qū)發(fā)育呈方案1＞方案3＞方案2 的特征。由此可知，錨桿、錨索支護(hù)情況下，預(yù)緊力對于巷道圍巖控制作用最大，通過適當(dāng)增加預(yù)緊力可以達(dá)到控制圍巖塑性區(qū)發(fā)展，維持巷道穩(wěn)定性的目的。而相較于預(yù)緊力，錨桿、錨索長度對于巷道圍巖控制影響較小，當(dāng)錨桿、錨索可以打到穩(wěn)定巖層后，增加其長度對圍巖控制幾乎不再起作用。因此2-1012 巷道采用方案3 不僅可以保證巷道支護(hù)效果，而且可以降低支護(hù)成本。

表3為3 種支護(hù)方案下巷道圍巖變形量。由表3可知，巷道開挖后圍巖將出現(xiàn)不同程度的破壞。方案1 條件下巷道圍巖變形量最大，巷道變形表現(xiàn)為方案1＞方案3＞方案2。方案3 與方案2 相比，雖然方案3 中錨桿長度減少0.2 m，但巷道圍巖變形量相差并不明顯。相較于方案2，方案3 中巷道頂板下沉量僅增大22 mm，底鼓量增大3.0 mm，兩幫移近量分別增大8.2 mm 和2.2 mm。因此，方案3 是技術(shù)可行經(jīng)濟(jì)合理的最優(yōu)方案。

表3 不同支護(hù)方案下巷道圍巖變形量

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，紫晟煤業(yè)2-1012 巷采用“錨桿+錨索+菱形網(wǎng)” 的支護(hù)形式及方案3 支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。巷道頂板共布置錨桿5 根及錨索2 根；錨桿選用直徑20 mm 左旋螺紋鋼，長度2 200 mm，間排距1 150 mm×1 000 mm，端部錨桿向巷道兩幫傾斜20°，其余錨桿則垂直于頂板布置；錨索采用直徑17.8 mm 鋼絞線，長度8 000 mm，間排距2 300 mm×1 450 mm。巷道正幫采用玻璃鋼錨桿，負(fù)幫采用左旋螺紋鋼錨桿，錨桿直徑16 mm，長度2 200 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm，并在巷道正幫吊掛菱形塑料網(wǎng)以防片幫。

圖2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證巷道支護(hù)效果，在2-101 工作面回采期間，對2-1012 巷道圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖3。由圖3可知，巷道未受超前支承壓力影響時(shí)，巷道頂板移近量及兩幫移近量基本保持不變，說明該支護(hù)方案下圍巖塑性區(qū)得到控制，巷道圍巖并沒有進(jìn)一步劣化。巷道在距離工作面40 m 位置時(shí)開始受超前支承壓力影響，此時(shí)，巷道頂板移近量最大為92.4 mm，兩幫移近量最大為70.2 mm，巷道圍巖變形量基本位于合理范圍內(nèi)，表明現(xiàn)有支護(hù)能夠保證巷道圍巖穩(wěn)定性。

圖3 巷道距工作面煤壁不同距離時(shí)圍巖移近量

4 結(jié)語

通過數(shù)值模擬對3 種支護(hù)方案下巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。模擬結(jié)果表明，巷道圍巖塑性區(qū)受錨桿錨固力影響較大，增大錨固力可以控制塑性區(qū)的發(fā)育，達(dá)到控制巷道圍巖穩(wěn)定性的目的。工作面回采期間，對巷道頂板及兩幫移近量監(jiān)測。結(jié)果表明，巷道頂板最大移近量為92.4 mm，兩幫最大移近量為70.2 mm，巷道圍巖變形量基本位于合理范圍內(nèi)，現(xiàn)有支護(hù)能夠保證巷道圍巖穩(wěn)定性。