寺家莊煤礦15106 工作面沿空巷道支護(hù)方案優(yōu)化分析與應(yīng)用

郝曉東

（潞安化工集團(tuán)寺家莊公司，山西 晉中 045300）

1 工程概況

陽煤集團(tuán)寺家莊煤礦15106 工作面開采15 號煤層，煤層平均厚度為5.5 m，平均傾角為6.5°，煤層頂板巖層泥巖和細(xì)砂巖，底板巖層為砂質(zhì)泥巖。15106 工作面上區(qū)段為15108 工作面采空區(qū)，下區(qū)段為15104工作面采空區(qū)，屬孤島工作面，工作面回采巷道與鄰近采空區(qū)間的煤柱寬度為7 m，回采巷道均屬于沿空巷道，具體工作面平面位置如圖1 所示。

圖1 15106 工作面平面位置示意圖

15106 工作面回風(fēng)巷沿煤層底板掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)斷面為矩形，寬度×高度=4 800 mm×3 900 mm，巷道原有支護(hù)采用錨桿索+經(jīng)緯網(wǎng)+鋼筋梯子梁的聯(lián)合支護(hù)，規(guī)格為φ22 mm×2 200 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，頂板錨索采用φ17.8 mm×7 200 mm 的1×7 股鋼絞線，間排距為880 mm×1 600 mm，頂板布置1 根加強(qiáng)錨索，型號為φ21.6 mm×8 400 mm 的鋼絞線，排距為800 mm，煤柱幫補(bǔ)設(shè)1 根規(guī)格為φ17.8 mm×4 200 mm的錨索，排距為1 600 mm，支護(hù)方案如圖2 所示。根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的現(xiàn)場觀測可知，巷道在現(xiàn)有支護(hù)方案下掘進(jìn)期間圍巖變形量大，其中兩幫最大移近量達(dá)到1 460 mm，且實(shí)體煤幫變形量大于煤柱幫，頂?shù)装遄畲笠平窟_(dá)到860 mm，為滿足巷道正常使用的要求，特進(jìn)行巷道支護(hù)方案的優(yōu)化分析。

圖2 15106 工作面回風(fēng)巷原有支護(hù)方案斷面圖

2 覆巖破斷位置分析

沿空巷道頂板斷裂位置及形式的變化對巷道的穩(wěn)定性會產(chǎn)生較大的影響，當(dāng)基本頂斷裂位置位于實(shí)體煤上方時，此時基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)下沉?xí)斐蓪?shí)體煤幫出現(xiàn)大變形的特征，且易造成支護(hù)失效，回采巷道實(shí)體煤幫的支承壓力峰值會向內(nèi)轉(zhuǎn)移而表現(xiàn)出高壓力拱的特征[1-3]，實(shí)體煤幫在壓力作用下被擠壓產(chǎn)生大變形。現(xiàn)為準(zhǔn)確掌握基本頂?shù)臄嗔盐恢茫捎肶TJ20 型鉆孔窺視儀進(jìn)行頂板斷裂位置的窺視分析。

根據(jù)15106 工作面回風(fēng)巷的現(xiàn)場工程實(shí)踐結(jié)果可知，巷道滯后掘進(jìn)頭200 m 的位置處實(shí)體煤幫的變形量明顯大于煤柱幫，故在此布置窺視鉆孔，窺視鉆孔以巷道中心線為基準(zhǔn)，共布置4 個鉆孔，鉆孔深度1.2 m，鉆孔間距1.2 m，煤柱上方和實(shí)體煤鉆孔布置在2 個頂角位置，鉆孔從工作面向采空區(qū)側(cè)分別命名為1- 4 號，窺視鉆孔布置方式如圖3 所示。

圖3 15106 工作面回風(fēng)巷窺視鉆孔布置平面圖

根據(jù)窺視結(jié)果能夠得出，實(shí)體煤幫12 m 深的1號鉆孔，在距巷道表面8.5 m 位置處出現(xiàn)破碎的環(huán)向裂隙，在距巷道孔口9.5m 的位置出現(xiàn)較大的縱向裂隙，且存在著較多的環(huán)向裂隙，在鉆孔孔口8～11 m 的范圍內(nèi)，鉆孔內(nèi)部充滿以縱向裂隙為主的多種裂紋；煤柱體側(cè)12 m 深2 號鉆孔在距離巷道孔口7.7～9.8 m 的范圍內(nèi)，鉆孔內(nèi)的裂隙以環(huán)向裂隙為主；根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果可知，3 號和4 號窺視孔內(nèi)基本無明顯的裂隙發(fā)育，具體1～4 號鉆孔在9.5 m 深度處的窺視結(jié)果如圖4 所示。

圖4 15106 工作面鉆孔窺視局部照片

綜合鉆孔窺視結(jié)果和上述分析可知，回風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)3～5 m 范圍內(nèi)裂隙發(fā)育嚴(yán)重，煤柱側(cè)頂板則較為完整，僅有少量的縱向裂隙發(fā)育，即煤柱側(cè)的裂隙發(fā)育不明顯，綜合上述分析可知，基本頂在實(shí)體煤上方斷裂，基本頂破斷后向采空區(qū)方向回轉(zhuǎn)下沉，造成在基本頂下方出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)，這是實(shí)體煤大于煤柱幫變形的主要原因[4-6]；另一方面由于基本頂回轉(zhuǎn)下沉?xí)?shí)體煤側(cè)的錨固體產(chǎn)生一定的水平擠壓力，進(jìn)而會造成實(shí)體煤幫產(chǎn)生一定程度不協(xié)調(diào)的錯動滑移，最終表現(xiàn)出巷道實(shí)體煤幫變形量大的特征。

3 非對稱支護(hù)方案及效果

3.1 非對稱控制思路

基于上述基本頂破斷位置的窺視分析結(jié)果可知，基本頂在實(shí)體煤內(nèi)側(cè)破斷是造成實(shí)體煤幫變形量大于煤柱幫的主要因素，采用UDEC 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行基本頂在實(shí)體煤上方破斷后沿空巷道支承壓力和最大主應(yīng)力圖的分析，數(shù)值模擬結(jié)果如圖5 所示。

分析圖5 可知，基本頂破斷后，頂板支承壓力曲線會逐漸向深部轉(zhuǎn)移，側(cè)向支承壓力的峰值也在逐漸減小，降低至25.8 MPa，支承壓力峰值出現(xiàn)的位置也逐漸向巷道實(shí)體煤幫深部轉(zhuǎn)移，基本頂破斷后支承壓力峰值出現(xiàn)在實(shí)體煤幫12 m 的深度處。

圖5 基本頂破斷后圍巖應(yīng)力分布圖

綜合基本破斷位置窺視分析和基本頂破斷后圍巖應(yīng)力分布圖，確定通過采用高預(yù)緊力錨桿索支護(hù)以提高實(shí)體煤幫的支護(hù)，控制實(shí)體煤幫的大變形，即巷道采用非對稱支護(hù)方案。

3.2 支護(hù)方案

根據(jù)巷道非對稱支護(hù)控制思路，設(shè)計(jì)巷道處采用高強(qiáng)預(yù)緊力錨桿索非對稱支護(hù)方案，具體15106工作面回風(fēng)巷支護(hù)優(yōu)化后的支護(hù)斷面如圖6 所示，支護(hù)參數(shù)如下：

圖6 15106 工作面回風(fēng)巷支護(hù)優(yōu)化斷面圖

1）頂板支護(hù)：規(guī)格為φ22 mm×2 200 mm 的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，每排布置6 根，頂角錨桿與巷幫距離為400 mm，兩頂角錨桿與頂板成15°布置，錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m，采用150 mm×150 mm×10 mm 的蝶形托盤，采用加長錨固，錨桿采用鋼筋梯子梁連接，梯子梁規(guī)格為2 050 mm×70 mm；錨索采用φ17.8 mm×7 200 mm 的低松弛鋼絞線，間排距為1 600 mm×800 mm，預(yù)緊力為150 kN，錨索每排布置2 根，垂直頂板打設(shè)，巷道表面采用金屬網(wǎng)護(hù)表。

2）實(shí)體煤幫支護(hù)：錨桿規(guī)格型號等參數(shù)同頂板錨桿，間排距為800 mm×800 mm，靠近頂角和底角錨桿距頂?shù)装宓木嚯x為350 mm，錨桿分別斜向上和向下15°布置，其余錨桿垂直巷幫布置，錨桿采用加長錨固，錨桿間采用鋼筋梯子梁連接，梯子梁規(guī)格為2 050 mm×70 mm；錨索采用φ17.8 mm×7 200 mm 的鋼絞線，間排距為1 600 mm×800 mm，錨索預(yù)緊力為150 kN。

3）煤柱幫支護(hù)：錨桿支護(hù)方式同實(shí)體煤幫，錨索采用φ17.8 mm×4 200 mm 的鋼絞線，間排距為1 600 mm×1 600 mm，錨索預(yù)緊力為100 kN，錨索垂直巷幫布置，幫部表面采用金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表。

3.3 效果分析

15106 工作面回風(fēng)巷采用優(yōu)化后的支護(hù)方案后，在巷道內(nèi)每間隔50 m 布置1 組圍巖變形量監(jiān)測點(diǎn)，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行圍巖變形觀測分析，根據(jù)觀測結(jié)果得出圍巖變形曲線如圖7 所示。

圖7 回風(fēng)巷支護(hù)優(yōu)化方案實(shí)施后圍巖變形曲線圖

分析圖7 可知，回風(fēng)巷在采用優(yōu)化后的支護(hù)方案時，巷道圍巖變形主要發(fā)生在滯后掘進(jìn)迎頭80 m范圍內(nèi)，圍巖在該范圍內(nèi)頂?shù)装逡平俾屎蛢蓭鸵平俾瘦^大，圍巖處于快速變形的不穩(wěn)定階段，隨著巷道掘進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行，當(dāng)巷道滯后掘進(jìn)迎頭120 m時，此時圍巖變形速率大幅降低，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)監(jiān)測斷面滯后掘進(jìn)頭150 m 時，此時圍巖變形量不再大幅增大，僅在小范圍內(nèi)出現(xiàn)一定程度的變化，巷道兩幫變形量差異大的現(xiàn)象也得到有效控制，最終頂?shù)装逡平康淖畲笾捣謩e為225 mm，煤柱幫變形量的最大值為100 mm，實(shí)體煤幫變形量的最大值為150 mm，優(yōu)化的支護(hù)方案保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

根據(jù)15106 工作面回風(fēng)巷賦存特征及原有支護(hù)下的變形情況，通過現(xiàn)場窺視分析得出回風(fēng)巷基本頂在實(shí)體煤幫上方出現(xiàn)破斷，進(jìn)一步分析頂板破斷后的應(yīng)力分布，確定巷道優(yōu)化方案加強(qiáng)兩幫支護(hù)，尤其加強(qiáng)實(shí)體煤幫支護(hù)，采用非對稱支護(hù)方案，根據(jù)優(yōu)化支護(hù)方案的工程實(shí)踐結(jié)果可知，優(yōu)化后的支護(hù)方案解決了圍巖變形量大的問題，保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。