復合頂板臨空巷道支護參數優化設計研究

趙 群，張 鵬

（陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦，陜西 延安 727307）

引言

以黃陵礦業一號煤礦1009進風順槽為研究背景，通過現場實測的方法，對1009進風順槽巷道變形量進行現場觀測，結合理論分析、工業性試驗的方法，對1009工作面進風順槽實施補強支護，優化1009進風順槽支護參數，維護巷道圍巖穩定，確保礦井安全高效生產。

1 工程概況

1009進風順槽北鄰1009工作面，東接北一進風大巷，順槽長度2 919 m，巷寬5 m，巷高3 m，巷道斷面積15 m2。巷道基本頂為均厚9.2 m的粉砂巖、細粒砂巖，直接頂為均厚9.8 m的粉砂巖、砂質泥巖，直接底為均厚8.0 m的泥巖。1009進風順槽現有支護形式為頂部錨索梁，采用T140型鋼帶加工，梁長4.6 m，一梁四索，排距1 200 mm，錨索采用Φ17.8 mm×8 300 mm防腐鋼絞線。頂錨桿中間四排間距850 mm，靠兩側兩排間距900 mm，排距為1 200 mm，6×6矩形布置，采用Φ20 mm×2500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。頂部掛塑鋼網，網孔50 mm×55 mm。幫錨桿間排距均為1 100 mm×1 000 mm，3×3矩形布置，非回采側（副幫側）采用Φ20×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配套鋼托板尺寸為200 mm×200 mm×12 mm，回采側（主幫側）采用Φ20 mm×2 500 mm玻璃鋼錨桿，除使用配套托盤外，每根錨桿另增加規格為350 mm×200 mm×50 mm木托板一塊。幫部掛塑鋼網，網孔為50 mm×55 mm。1009進風順槽巷道布置關系圖如圖1所示，順槽頂底板巖性參數表如表1所示。

表1 1009進風順槽頂底板巖性參數表

圖1 1009進風順槽巷道布置關系圖

2 巷道變形原因分析

2.1 工程地質環境

1009進風順槽直接頂為粉砂巖與砂質泥巖互層，巖體自身強度較低，巷道圍巖強度在井下潮濕環境下進一步降低，傳統的支護條件難以保證巷道圍巖穩定。

2.2 1008工作面采動影響

1009進風順槽臨近1008工作面采空區，1008工作面于2021年12月停采，采空區尚未完全垮落穩定，1008工作面開采的殘余支承壓力對1009工作面進風順槽影響較大，進一步導致1009進風順槽巷道變形收斂。

2.3 局部巷道支護失效

1009進風順槽在掘進期間采用“錨桿+錨索+T140型鋼帶+金屬網”聯合支護，巷道掘進期間維護效果尚可，但由于1008工作面采空區采動影響，1009進風順槽局部出現錨桿破斷、鋼帶擠壓變形現象，局部支護措施失效，巷道變形嚴重。

3 數值模擬研究

針對1009進風順槽臨空地質特征，采用MIDAS-FLAC3D數值模擬試驗，對1009進風順槽巷道變形收斂形態進行模擬，根據數值模擬分析結果，進一步提出補強支護方案。

3.1 1009進風順槽回采期間變形特征分析

建立數值模型如圖2所示。數值模型尺寸長×寬×高為335 m×300 m×82 m，模型共計356 755個單元、401 938個節點。對數值模型施加邊界條件，即對模型的x方向、y方向及模型底板限制位移，在模型頂板施加5 MPa的均布應力，分析1008工作面回采期間，1009進風順槽巷道變形情況。數值模擬分析結果如圖3所示。

圖2 數值模擬模型示意圖

圖3 數值模擬分析結果圖（Pa）

由圖3可知，1008工作面回采產生的側向支承壓力對1009進風順槽產生動壓影響，巷道兩幫受力明顯，峰值應力達到8.39 MPa，順槽巷幫容易出現片幫現象。頂板靠煤柱幫側應力積聚明顯，達到4.5 MPa。由此可推斷，1009進風順槽頂板靠煤柱幫側可能出現頂板下沉現象，1009進風順槽巷道變形嚴重，需要進行補強支護措施維護巷道穩定。

3.2 1009進風順槽補強支護參數數值模擬分析

對1009進風順槽局部巷道變形嚴重部位進行重新建模，模型長×寬×高為15 m×10 m×15 m，模型共計112 320個單元、120 939個節點。根據1008工作面回采采動應力分析結果，通過提取圍巖應力的方式，對1009進風順槽施加邊界條件，分析1009進風順槽局部巷道變形特征，并根據分析結果，確定1009進風順槽補強支護方案。巷道變形模擬模型示意圖如圖4所示。

圖4 1009進風順槽巷道變形模擬模型示意圖

針對1009進風順槽受采動影響產生的巷道變形，提出采用“T140型鋼帶+金屬網+錨索”聯合補強支護方式實施補強支護，鋼帶規格為T140×3600mm，一梁四索，錨索采用Φ21.8 mm×10 300 mm鋼絞線，錨深10 000 mm，金屬網規格為Φ6 mm金屬網，網片規格為2 m×1 m，網孔尺寸100 mm×100 mm。補強支護后的應力分布云圖如圖5所示。

圖5 1009進風順槽補強支護應力（Pa）分布云圖

由圖5可知，實施補強支護后，1009進風順槽錨索對巷道頂板發生下沉的位置產生約束，巷道變形較未實施補強支護之前發生明顯變化，補強支護方案合理。

4 現場實測研究

根據數值模擬分析結果提出的1009進風順槽補強支護方案，對1009進風順槽補強支護段進行巷道變形觀測，觀測結果如下頁圖6所示。

由下頁圖6可知，實施補強支護前，1009進風順槽受1008工作面回采的采動應力影響，在觀測期內，順槽最大頂板下沉量達到315 mm，巷道最大下沉速度達到49 mm/d。實施補強支護后，1009進風順槽巷道變形速度整體減少。在觀測期內，順槽最大頂板下沉量達到330 mm，最大頂板下沉速度為2 mm/d。巷道實施補強支護后，取得了良好的應用效果。

圖6 1009進風順槽補強支護前后巷道變形量

5 結論

1）根據1009進風順槽變形因素分析，1009進風順槽巷道變形主要由于巷道地質因素及1008采空區動壓影響，采用數值模擬分析方法分析認為，1009進風順槽應力集中區主要表現在巷道幫部及頂板靠兩幫側。

2）結合理論分析及數值模擬分析結果，對1009進風順槽提出“T140型鋼帶+錨索+金屬網”聯合補強支護措施，現場應用發現，實施補強支護后，順槽最大頂板下沉量達到330 mm，最大頂板下沉速度為2 mm/d。

（編輯：郭萍茹）