鎮城底礦底抽巷圍巖控制技術優化研究

郭建東

（山西西山煤電股份有限公司鎮城底礦，山西 古交 030203）

1 工程概況

西山煤電鎮城底礦位于古交市西北，生產能力為190 萬t/a，礦井屬于高瓦斯礦井。22212 工作面決定采取開掘底板巷道抽取上方煤層瓦斯的防治措施。底抽巷布置在距煤層約11.5 m 的泥巖巖層內，二盤區布置兩條平行的開拓巷道：膠帶運輸巷和瓦斯措施巷，工作面內的底抽巷內錯工作面回風順槽15 m 布置。本文中的底抽巷是指兩條開拓巷道及工作面內的底抽巷，巷道位置詳情如圖1。22212工作面井下位于二盤區，北為底板措施巷、膠帶運輸巷，東為22602 工作面（已采），南為礦界，其余為未采區。22212 工作面所采煤層為2.3#煤，煤層穩定，煤層厚度平均為2.82 m，結構為：1.63（0.47）0.72。煤層整體呈一復式背斜構造，S1 背斜軸向為146°，S2 向斜軸向為167°，S3 背斜軸向為174°，S4 向斜軸向為97°，煤巖層傾角為1°～15°，平均8°。2.3#開采煤層的煤層瓦斯原始含量最大為6.69 m3/t。

圖1 底抽巷位置詳圖

2 底抽巷原有支護方案及圍巖破壞特征

2.1 底抽巷原支護方案

用于22212 工作面瓦斯預抽的兩條開拓巷道及專用底抽巷布置層位、巷道斷面均相同，設計采用相同的支護方式，采用直墻半圓拱斷面，掘進寬度5.22 m，高度4.16 m，直墻部分高度1.5 m。一次支護采用錨網噴支護：噴漿（C25 混凝土）厚度約50 mm；錨桿規格Ф20 mm×2000 mm，間排距0.8 m，起拱線下間距0.7 m；錨索規格為Ф21.6 mm×6000 mm 鋼絞線，間距1.6 m，排距0.8 m，每排5 根。一次支護完成后，巷道高度約為4.01 m，寬度約4.92 m。二次支護形式：12#工字鋼棚+復噴（采用C25混凝土，厚度約160 mm），工字鋼間距0.6 mm。二次支護完成后，巷道凈高約為3.85 m，凈寬4.6 m。

2.2 底抽巷圍巖破壞特征

22212 工作面底抽巷首先進行了膠帶運輸巷、底板措施巷的施工，成巷約30 d 后，兩條巷道均出現了較明顯的變形，頂板變形明顯大于兩幫變形，頂板下沉量最大可達到800～1000 mm。為掌握巷道圍巖內的巖層破壞情況，在兩條底抽巷內進行了頂板窺視試驗，底板措施巷測點布置在通尺320 m 處，有效觀測深度為6.0 m，膠帶運輸巷測點布置在通尺370 m 處，有效觀測深度為4.9 m。整理得到窺視結果如圖2。

由圖2 所示的窺視結果可以看出，底抽巷底板巖性主要以砂質泥巖、泥巖為主，頂板巖層淺部出現明顯的破碎帶，破碎帶寬度為0～0.5 m，主要集中在0～1 m 深度范圍內，深度1～2 m 范圍內出現寬度不等的裂隙帶，深度2 m 以上的位置出現少量裂隙。根據底抽巷頂板巖層窺視結果，結合巷道表面的變形破壞情況可得出，膠帶運輸巷和底板措施巷在成巷后，在高地應力和卸荷效應的作用下，頂板淺部約2 m 范圍內圍巖產生大量的裂隙、離層，頂板錨桿未錨固在長期穩定巖層內，導致巷道表面出現大量的網兜。由于支護結構與頂板下沉變形不協調，裂隙、離層持續拓展、發育。觀測期間，裂隙最大發育深度已達到3.7 m，導致巷道頂板網兜現象愈加嚴重，支護結構受力愈來愈大，從而引發冒頂、支護結構失效等事故。

圖2 頂板鉆孔窺視結果

3 底抽巷支護方案模擬研究

為研究各支護參數對巷道圍巖塑性破壞的影響，采用FLAC3D進行模擬研究[1]。模型長×寬×高=500 m×320 m×200 m，底抽巷布置在煤層下方11.5 m 的泥巖巖層內，底抽巷為半圓拱型斷面，寬5.0 m，高4.0 m，開挖長度300 m，回采工作面長度160 m，模型初始應力條件szz=15.25 MPa。工作面采用分步開挖、滯后充填的方式，采用cable 單元模擬錨桿、錨索。設計有6 種支護方案。

方案A：無支護。

方案B：采用長度2.4 m 的錨桿支護，錨桿布置方式與原支護方案相同。頂板支護阻力為0.19 MPa，兩幫支護阻力0.24 MPa。

方案C：采用長度2.4 m 的錨桿、6.0 m 的錨索支護，錨桿、錨索布置方式與原支護方案相同。頂板支護阻力0.48 MPa，兩幫支護阻力0.24 MPa。

方案D：在方案C 基礎上，每排增加4 根頂錨索、2 根幫錨索。頂板支護阻力0.70 MPa，兩幫支護阻力0.64 MPa。

方案E：錨桿、錨索布置方式與方案C 相同，僅將頂板、兩幫錨索強度增大5 倍。頂板支護阻力3.33 MPa，兩幫支護阻力4.24 MPa。

方案F：在方案D基礎上，將錨索強度增大10倍。頂板支護阻力6.47 MPa，兩幫支護阻力8.24 MPa。所有支護方案中錨桿預緊力設置為170 kN，錨索預緊力設置為560 kN。

不同支護條件下，底抽巷圍巖塑性破壞情況如圖3。

圖3 不同支護參數調節下圍巖塑性破壞特征

由圖3 所示結果可以看出，無支護條件下，頂板最大塑性破壞深度為2.3 m，兩幫最大破壞深度為1.5 m。采用錨桿支護后，巷道圍巖塑性破壞深度僅有微小的變化，頂板錨桿范圍內巖體均塑性破壞，支護結構不穩定。當設計采用錨索支護后，巷道圍巖塑性破壞深度出現少量的減小，但錨索能夠起到將頂板懸吊在穩定巖層中的作用。采用方案D增加錨索的密度后，巷道圍巖的塑性破壞范圍仍然僅有微小的減小。方案E 提高錨索支護強度后，顯著增大頂板和兩幫的支護阻力，頂板、兩幫圍巖塑性破壞深度出現顯著的減小，頂板塑性破壞深度相對于支護方案C（原支護方案）減小了0.5 m 左右，兩幫塑性破壞深度減小0.5～1.0 m，圍巖穩定性顯著增加。錨索支護強度繼續增大時，巷道圍巖塑性破壞深度繼續減小。綜上可知，鎮城底礦底抽巷在高地應力環境下，巷道圍巖塑性破壞范圍呈現橢圓形，頂板巖層破壞深度大于兩幫。通過增加錨桿長度、錨索的布置密度，并不能顯著減小圍巖的塑性破壞范圍，而提高錨桿、錨索的支護強度，能夠有效減小圍巖的塑性破壞范圍，提高巷道整體穩定性。

4 底抽巷支護方案及現場應用試驗

4.1 底抽巷支護方案

結合以上研究結果，可總結底抽巷原支護方案存在的主要問題：現有錨桿錨固深度有限，不能有效錨固在長期穩定巖層，易錨固失效，錨索、錨桿支護系統不匹配，頂板淺部巖體與上覆穩定巖層離層量逐漸增大，錨索延展量有限，存在拉斷失效、巷道圍巖整體失穩破壞的危險。高應力環境下，底抽巷支護材料應具備以下特點[2]：（1）錨固深度大于2.0 m；（2）強度較高，能夠長期穩定地懸吊頂板巖層；（3）更好的延展性，可允許圍巖出現較大的變形而不支護失效。基于以上特點，查閱相關的研究文獻[3-4]，決定選用中國礦業大學馬念杰教授研發的可接長錨桿。錨桿結構如圖4（c）所示。該錨桿最大延展率可達到17%。

底抽巷優化支護方案：一次支護采用錨桿+加長錨桿+鋼筋網+素噴混凝土支護方式。頂板、兩幫錨桿規格與原支護方案相同，錨固力不小于70 kN，螺帽扭矩不小于150 N·m，間排距均為0.8 m，中間布置三根可接長錨桿，錨桿長度5.0 m，端部錨固長度不小于1.5 m，錨固力不小于150 kN，螺帽扭矩不小于240 N·m。二次支護方案不變，二次支護在一次支護后約60 d 進行。支護詳情如圖4。

圖4 底抽巷優化支護方案

4.2 現場應用試驗

22212 專用底抽巷掘進通尺T335～T365 m 之間采用上述支護方案，一次支護完成后，監測巷道表面變形量，測點布置在通尺350 m 處，整理得到頂底板、兩幫移近量變化曲線如圖5。掘巷20 d 內，巷道表面位移量緩慢地增大；掘巷20～60 d 內，表面變形量增速較大；60 d 左右進行二次支護后，巷道表面位移量增速基本為零。為期120 d 的監測時限內，頂底板最大移近量為128 mm，兩幫最大移近量為87 mm，巷道表面變形量較小，支護效果良好。

圖5 22212 工作面專用底抽巷圍巖變形監測

5 結論

22212 工作面底抽巷掘進初期所采取的支護方案未有效控制圍巖變形，存在錨桿錨固范圍較小、支護系統與圍巖不協調等問題。數值模擬研究表明，提高支護阻力能夠顯著減小圍巖的塑性破壞范圍，提高圍巖穩定性。根據底抽巷圍巖破壞特征，提出采用加長錨桿代替錨索，并通過增大錨桿、錨索預緊力提高支護阻力。現場應用試驗表明，優化后的支護方案有效控制巷道表面的變形，能夠滿足為工作面安全生產服務的要求。