孟家窯煤礦11505特厚煤層工作面回采巷道圍巖控制技術(shù)研究

賈春濤

（潞安集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)孟家窯煤業(yè)有限公司11505工作面位于11采區(qū)，地面標(biāo)高為1 732～1 802 m，井下標(biāo)高為1 464～1 588 m，工作面切眼長(zhǎng)度為154 m，走向長(zhǎng)度1 258 m，開(kāi)采5號(hào)煤層，煤層厚度12.4～15.6 m，平均厚度為14.01 m，平均傾角為24°，屬特厚煤層，煤層內(nèi)平均含有3層夾矸，節(jié)理、內(nèi)生裂隙不發(fā)育，頂板巖層為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，底板巖層為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖。11505工作面回風(fēng)巷主要為11505工作面提供回風(fēng)、行人等服務(wù)，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷道凈寬×凈高=4.5 m×3.5 m，巷道擬采用錨網(wǎng)索進(jìn)行支護(hù)，由于巷道上方煤層較厚，現(xiàn)為保障巷道圍巖的穩(wěn)定，特進(jìn)行圍巖控制方案的研究。

2 錨桿支護(hù)參數(shù)模擬分析

為保障工作面回風(fēng)巷錨網(wǎng)索支護(hù)方案的合理性，現(xiàn)采用F LAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行部分支護(hù)參數(shù)的模擬分析，根據(jù)巷道的賦存條件及特征，建立長(zhǎng)×寬×高=80 m×40 m×20 m的數(shù)值模型，根據(jù)地質(zhì)條件分別對(duì)煤層及頂?shù)装鍘r層的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行賦值，主要對(duì)頂板錨桿長(zhǎng)度、幫部錨桿長(zhǎng)度、頂幫角錨桿角度進(jìn)行模擬分析，具體模擬方案及結(jié)果如下：

1）頂板錨桿長(zhǎng)度：根據(jù)眾多工程實(shí)踐結(jié)果及礦井資料[1-2]，本次頂板錨桿長(zhǎng)度設(shè)置4組方案，分別為2 200、2 400、2 600、2 800 mm，其余參數(shù)不變，頂板錨索長(zhǎng)度5 000 mm、錨索預(yù)緊力為60 k N、幫錨桿長(zhǎng)度為2 000 mm，設(shè)置錨桿索均垂直于頂板及兩幫打設(shè)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出，不同錨桿長(zhǎng)度下頂板下沉量如圖1所示。

分析圖1可知，頂板錨桿長(zhǎng)度為2 200 mm時(shí)，頂板的最大下沉量為122.77 mm，隨著錨桿長(zhǎng)度的增大，頂板的下沉量逐漸減小，當(dāng)頂錨桿長(zhǎng)度增大為2 400 mm時(shí)，頂板下沉量降低為120.59 mm，降幅較小；當(dāng)頂板錨桿長(zhǎng)度增大為2 600 mm時(shí)，巷道頂板下沉量降低為116.2 mm，降幅較為顯著，隨著錨桿長(zhǎng)度的進(jìn)一步增大，當(dāng)頂板錨桿長(zhǎng)度增大為2 800 mm時(shí)，巷道頂板下沉量為115.8 mm，降低較為顯著；據(jù)此可知，頂板錨桿長(zhǎng)度大于2 600 mm，此時(shí)錨桿長(zhǎng)度的增大對(duì)頂板下沉量的影響便逐漸減小；基于上述分析確定頂板錨桿的長(zhǎng)度為2 600 mm。

圖1 不同錨桿長(zhǎng)度下頂板下沉量云圖

2）幫錨桿長(zhǎng)度：根據(jù)頂幫協(xié)同支護(hù)原則[3-4]，幫錨桿長(zhǎng)度模擬方案設(shè)置為6組，分別為1 600、1 800、2 000、2 200、2 400、2 600 mm，其余模擬參數(shù)相同，基于上述錨桿模擬結(jié)果，本次設(shè)置頂錨桿長(zhǎng)度2 600 mm，錨索長(zhǎng)度5 000 mm，錨索預(yù)緊力為60 k N，錨桿索均垂直于頂幫打設(shè)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可得出不同幫錨桿長(zhǎng)度下，頂板下沉量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，幫錨桿長(zhǎng)度與頂板下沉量間的曲線圖如圖2所示。

表1 不同幫錨桿長(zhǎng)度下頂板下沉量數(shù)據(jù)表

圖2 幫錨桿長(zhǎng)度-頂板最大下沉量曲線圖

分析表1和圖2可知，隨著幫錨桿長(zhǎng)度的增大，頂板下沉量在不斷減小，但幫錨桿長(zhǎng)度小于2 000 mm時(shí)，此時(shí)隨著頂板錨桿的增大，頂板最大下沉量的減小幅度較小，幫錨桿由2 000 mm增大為2 400 mm時(shí)，頂板下沉量的降低幅度較為顯著，當(dāng)幫錨桿長(zhǎng)度大于2 400 mm后，隨著錨桿長(zhǎng)度的增大，頂板下沉量的降低幅度又逐漸減小；基于上述模擬結(jié)果分析可知，當(dāng)幫錨桿長(zhǎng)度小于2 000 mm時(shí)，此時(shí)由于兩幫錨桿的錨固范圍較小，無(wú)法控制兩幫的變形破壞，對(duì)自然平衡拱高度的降低效果較為微弱；當(dāng)幫錨桿長(zhǎng)度處于2 200～2 400 mm范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)錨桿長(zhǎng)度的增大，能夠有效減小頂板自然平衡拱的高度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板下沉量的控制；當(dāng)幫錨桿長(zhǎng)度大于2 400 mm時(shí)，此時(shí)支護(hù)效能未能得到有效的釋放，利用率較低，進(jìn)而對(duì)頂板下沉量的影響較小；故基于上述分析確定幫錨桿長(zhǎng)度為2 400 mm。

3）頂幫角錨桿角度：為分析兩頂角錨桿的合理角度和兩幫角錨桿的合理角度，在進(jìn)行頂角錨桿模擬時(shí)，設(shè)置其余錨桿索均垂直于巷道頂幫，在進(jìn)行幫角錨桿角度模擬時(shí)，設(shè)置錨桿其余錨桿均垂直于頂幫，頂角錨桿的模擬角度分別為45°、55°、65°、75°、85°，幫角錨桿的模擬角度分別為5°、15°、25°、35°、45°，模型中其余模擬參數(shù)均同上，根據(jù)模擬結(jié)果得出如圖3所示曲線圖。

圖3 頂角、幫角錨桿角度-頂板下沉量曲線圖

分析圖3（a）可知，隨著頂角錨桿角度的不斷增大，頂板最大下沉量呈現(xiàn)出先下降后升高的趨勢(shì)，其中頂板下沉量的最小值在頂角錨桿為75°時(shí)取得，為106.29 mm，幫角錨桿頂板下沉量的曲線圖呈現(xiàn)出基本相同的變化趨勢(shì)，頂板下沉量的最小值在幫膠錨桿為25°時(shí)取得，基于上述數(shù)值可知，在頂板錨桿以75°安裝、幫角錨桿以25°安裝時(shí)，錨桿支護(hù)形成的應(yīng)力區(qū)能夠與相鄰錨桿（索）有效疊加，實(shí)現(xiàn)為巷道頂板的控制；基于上述分析確定頂角錨桿安設(shè)角度為75°，幫角錨桿的安設(shè)角度為25°。

3 支護(hù)方案及效果

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)11505工作面的地質(zhì)條件及上述錨桿支護(hù)參數(shù)的模擬結(jié)果，確定巷道支護(hù)方案如下：

1）頂板支護(hù)：采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為M SGLW-335/18×2600，間排距800 mm×1 000 mm，同一斷面內(nèi)錨桿布置6根，兩頂角錨桿與巷道頂板成75°安設(shè)，采用方形托盤(pán)，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊力矩為300 N·m；錨索采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，規(guī)格為SK P15.24-7/1860，?15.24 mm，長(zhǎng)度8 300 mm，間排距1 600 mm×1 000 mm，兩頂角錨索與頂板成55°安設(shè)，中部錨索垂直于巷道頂板打設(shè)，采用加長(zhǎng)錨固，托盤(pán)采用平鋼板，規(guī)格300 mm×300 mm×15 mm，預(yù)緊力120 k N，規(guī)格為4 700 mm×75 mm×12 mm的鋼帶將錨桿索連接成一個(gè)整體，采用規(guī)格為4 700 mm×1 000 mm的鋼筋經(jīng)緯網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂。

2）兩幫支護(hù)：采用左旋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為M SGM-235/16×2200，間排距1 000 mm×1 000 mm，幫角錨桿與幫部成25°布置，其余錨桿垂直于巷幫布置，采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，錨桿預(yù)緊力矩為200 N·m，采用規(guī)格長(zhǎng)×寬=3 700 mm×75 mm的鋼帶將錨桿與錨索連接為一個(gè)整體，提升錨桿索的承載能力，采用11號(hào)鐵絲制作的規(guī)格為3 700 mm×1 000 mm的鋼絲網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫。具體巷道支護(hù)方案見(jiàn)圖4。

圖4 巷道支護(hù)斷面圖

3.2 效果分析

在11505回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，采用十字布點(diǎn)法在滯后掘進(jìn)迎頭10 m處進(jìn)行巷道變形量的監(jiān)測(cè)分析，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出頂?shù)装逡平亢蛢蓭妥冃瘟侩S時(shí)間的變化曲線，見(jiàn)圖5（a）、5（b）；另外在工作面回采期間，超前工作面110 m處布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)[5-6]，對(duì)巷道變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出巷高、兩幫收斂-距工作面距離曲線，見(jiàn)圖5（c）、5（d）。

分析圖5（a）、5（b）可知，巷道掘出后的8 d內(nèi)，頂板下沉量及兩幫收斂量均大幅增大，在巷道掘出大于8 d時(shí)，頂板下沉量及兩幫移近量均逐漸趨于穩(wěn)定，頂板下沉速率在巷道掘出后的第10 d，頂板的下沉速率基本降為0，表明此時(shí)巷道基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，頂板最大下沉量為57 mm，兩幫收斂速率基本已下降至0，兩幫收斂量的最大值為64 mm。

圖5 巷道掘進(jìn)及工作面回采期間圍巖變形曲線圖

分析圖5（c）、5d）可知，工作面與測(cè)點(diǎn)之間的距離大于100 m時(shí)，此時(shí)巷道頂板下沉及兩幫移近量基本無(wú)變化；距離小于100 m時(shí)，此時(shí)圍巖變形速率開(kāi)始逐漸增大；距離小于70 m時(shí)，此時(shí)頂板下沉及兩幫收斂速率均大于8 mm/d，當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面距回采工作面38 m時(shí)，此時(shí)頂板下沉量為70 mm，兩幫收斂量為80 mm，巷道變形量滿(mǎn)足回采巷道的使用要求。

4 結(jié)論

根據(jù)11505回風(fēng)順槽地質(zhì)賦存條件，通過(guò)數(shù)值模擬軟件進(jìn)行錨桿支護(hù)合理參數(shù)的分析，確定頂幫錨桿長(zhǎng)度、頂角和幫角錨桿安設(shè)角度，基于數(shù)值模擬結(jié)果，具體進(jìn)行巷道錨網(wǎng)索支護(hù)方案的設(shè)計(jì)，并在巷道掘進(jìn)期間和工作面回采期間進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，巷道在該種支護(hù)方案下圍巖變形量較小，滿(mǎn)足回采巷道的使用要求。