采動影響巷道圍巖支護參數優化研究

孟小強

（汾西礦業集團柳灣煤礦，山西 孝義 032300）

引言

確保巷道圍巖穩定是煤炭開采時需要重點解決的問題，但是隨著礦井開采強度的增加，回采巷道受采動影響更為明顯，部分巷道在采動動壓影響下變形嚴重[1]。分析采動影響巷道圍巖變形特征并針對性提出圍巖控制技術方案對確保煤炭安全高效開采具有重要意義[2]。為此，眾多的研究學者就采動動壓對巷道圍巖穩定性影響展開研究，其中康紅普等[3]采用數字模擬技術對深部開采沿空留巷巷道圍巖變形特征進行分析；嚴紅等[4]采用現場實測方法對受動壓影響的大斷面煤巷變形特征進行探討；張志康、吳順川等[5]提出采用錨網噴支護、注漿加固以及架棚支護等方式控制動壓影響巷道圍巖變形。上述研究成果為動壓巷道圍巖控制提供了寶貴的經驗借鑒，文中基于上述研究成果并以山西某礦8503 運輸巷圍巖控制為工程背景，對巷道支護參數進行優化。研究成果可為礦井后續采面動壓影響巷道支護提供借鑒。

1 工程概況

山西某礦8503 采面工作面埋深平均520 m，開采山西組5 號煤層，煤層厚度均值為6.5 m，傾角在10°以內，采用綜放開采工藝，采高、放頂煤高度分別為3.2 m、3.3 m。8503 工作面設計推進長度為2 000 m，切眼斜長為300 m。8503 運輸巷采用錨桿+錨索+廢棄鋼絲繩相結合的聯合支護工藝，頂板、巷幫錨桿分別為φ20 mm×2 200 mm、φ16 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，均按照800 mm×800 mm間排距布置；錨索為15.24 mm×6 000 mm 鋼絞線，并與豎向方向有15°夾角，按照1 000 mm×1 000 mm間排距布置。具體8503 運輸巷支護設計見圖1。

圖1 8503 運輸巷支護設計（單位：mm）

8503 運輸巷在超前工作面20 m 范圍內采用DW 單體支柱配合工字鋼按照0.9 m 間距組成邁步式抬棚進行支護。但是受到采面采動動壓影響，巷道圍巖變形嚴重，在超前支護段部分工作鋼出現明顯彎曲，給巷道正常使用以及采面回采安全帶來一定的安全威脅。從現場圍巖變形情況來分析，發現8503運輸巷原支護參數不合理、錨網索支護強度不夠以及鋼絲繩未發揮支護效果等是導致巷道圍巖變形量較大的主要原因，因此，需要針對性對巷道支護參數進行優化。

2 支護參數優化

合理的支護參數不僅可有效控制圍巖變形，而且可為采面快速回采創造良好條件[6]。針對8503 運輸巷實際情況，提出下述三種通過改變錨桿間排距以及在頂板增加布置槽鋼等方式增加圍巖支護強度，并通過數值模擬分析不同支護方式下的圍巖控制效果。具體不同的圍巖支護方案為:

方案I，錨桿、錨索支護參數保持不變，即巷道按照原支護參數控制圍巖變形；

方案II，錨桿、錨索支護參數保持不變，在頂板上增加槽鋼控制巖層變形；

方案III，錨桿間排距由800 mm×800 mm 增加至1 000 mm×1 000 mm，并在頂板上增加布置槽鋼控制巖層變形。

為了便于掌握不同支護方案下圍巖控制效果，采用數值模擬技術對圍巖塑形區分布情況、圍巖變形量等進行分析。從模擬結果看出，隨著圍巖應力集中系數K的不斷增加，塑性區分布呈現明顯的差異。當K=1 時，三種圍巖支護方案塑性區集中分布在巷道頂底板與巷幫交匯的幫角位置，且塑性區分布范圍相對較小；當K=2 時，三種圍巖支護方案塑性區范圍均呈現一定程度的增加，方案II的塑性區分布范圍最小，方案I 及方案III 巷幫位置已無明顯的彈性區范圍；當K=3 時，方案III 塑性區分布范圍最廣泛且分布深度最大，方案II 較方案I 塑性區分布范圍明顯降低，主要表現在頂底板塑性區范圍明顯減小、巷幫塑性區范圍則基本接近。具體不同K值下圍巖塑性區破壞深度見表1。從表1 看出，方案II 相對于方案I 在頂板增加布置槽型鋼，可在一定程度上降低塑性區分布深度；方案III 相對于方案II增加錨桿間距，隨著錨桿間距增加圍巖塑性區深度呈增加趨勢。

表1 不同K 值下圍巖塑性區破壞深度mm

不同K 值下圍巖變形量見表2 所示。

表2 不同K 值下圍巖變形量mm

從表2 看出，當K=1 時（即巷道處于原巖應力狀態）不同支護方案下圍巖變形量均較小；隨著K值增加，圍巖變形量隨著應力集中程度增加而增大，其中方案II 時圍巖變形量最小。

通過綜合對比分析，最終選用方案II 來對采動動壓影響巷道圍巖進行控制，即為在原有的支護參數基礎上增加布置工字鋼，并與錨索相連接，增加頂板支護強度。

3 支護效果分析

在8503 運輸巷支護時在頂板上增加布置工字鋼提高圍巖支護強度，降低變形量。在巷道支護完成后布置測點對圍巖變形量進行監測，具體測點布置見圖2 所示。

圖2 運輸巷圍巖變形量監測點布置示意圖

從圍巖變形量監測結果看出，1—5 號測點在支護完成15 d 后頂底板累積變形量分別為193 mm、175 mm、161 mm、145 mm 以及126 mm；巷幫累積變形量為128 mm、116 mm、107 mm、96 mm 以及84 mm。測點距離采面越近，受到采動動壓越明顯，圍巖變形量越大。從圍巖變形監測結果看出，通過在巷道頂板上增加布置工字鋼有效提高了動壓影響巷道圍巖控制效果，可滿足采面安全生產需要。

4 結論

1）采動影響巷道圍巖應力集中，導致巷道圍巖控制難度增加，同時隨著巷道圍巖應力集中程度增加，巷道圍巖塑性區分布范圍以及圍巖變形量呈增加趨勢。

2）采用模擬分析方法對不同巷道支護方案下的圍巖塑性區分布、變形量情況進行分析，最終決定通過在巷道頂板上增加工字鋼方式提高圍巖支護強度，降低動壓影響。

3）現場應用后8503 運輸巷圍巖變形量較原支護方案明顯降低，取得較好的巷道圍巖控制效果。