辛置煤礦厚硬基本頂大巷煤柱回收工作面運輸巷支護設計

＊徐文貴

（山西省霍州煤電集團有限責任公司辛置煤礦 山西 031412）

近年來，我國煤炭行業發展總體相對穩定，煤礦開采技術也在穩步推進，多數煤礦采用地下開采，開采中出現了大量問題，巷道支護尤為關鍵。錨桿索支護是巷道安全領域內的關鍵技術，針對巷道支護難題，眾多學者在錨桿支護理論，巷道圍巖控制理論等方面做出了許多研究，何滿潮[1]對巷道彈塑性區的強度與力學特征進行了分析，探討了錨索之間以及和錨索和錨桿之間的相互影響關系；康紅普[2]提出了一種高預應力強力支護理論，建立錨桿索支護系統，結合工程實踐，有效控制了圍巖變形，取得良好工程效果；侯朝炯[3]通過實驗室實驗和理論分析，分析了強化后的錨固體在巷道支護過程中對圍巖塑性區和破碎區的影響過程；左建平[4]提出了復合支護技術，根據巷道圍巖穩定軸比規律，計算了不同形狀斷面下的應力分布以找到更合理的支護參數。車俊毅[5]為了減少工作面過斷層煤耗量，提高煤炭資源采出率，選取概況典型巷道，通過理論計算選取合理巷道支護參數。經過現場實踐對斷層巷道采用特殊超前支護，最大限度的實現煤炭資源高效回采。

綜上所述，前人針對巷道圍巖控制機理和支護技術方面進行了深入的研究且取得了豐富的研究成果[5]，然而類似辛置煤礦厚硬基本頂大巷煤柱回收工作面巷道支護技術研究較少，因此，本文以辛置礦2-213 工作面巷道為研究對象，研究了厚硬巖層頂板條件下巷道支護的有效設計，提出一種合理的綜合支護控制方案，并為以后類似巷道支護研究提供參考。

1.工程概況

2-213 工作面位于2#煤層，煤層節理不發育，煤層平均埋深307 m，平均煤厚為4.1 m，采用一次采全高，自然垮落法處理采空區。煤層直接頂由一層平均厚度為6.5 m 的泥巖、砂質泥巖半堅硬巖層構成，老頂是一層厚7.2 m 的K8中砂巖堅硬巖層， 工作面屬于厚硬頂板一次采全高工作面。運輸順槽設計總長1953 m，巷寬4.9 m，巷高3.6 m 矩形巷道，沿煤層頂板掘進，煤層空間位置情況如圖1 所示。

圖1 2#煤層空間位置情況

2.數值模擬支護分析

(1)模型建立

根據2-213 工作面地質賦存情況，利用有限元分析軟件對2# 煤層、2-213 運輸順槽及回風順槽建立模型，固定四周及底部位移(速度)邊界,根據埋深施加漸變垂直應力，上部邊界施加7.16×106MPa 垂直應力，底部施加8.30×106MPa 垂直應力，側壓系數1.2，模型如圖2 所示。

圖2 數值模擬分析圖

在2-213 工作面運輸順槽從切眼開始，選三處（30m、70m、110m），分別從頂板鉆孔取芯和從底板鉆鎬刨取巖樣，將煤巖樣加工成巖體力學實驗標準圓柱試件，首先計算自然塊體密度，然后采用TAW-2000 型電液伺服試驗機進行巖石力學試驗。在巖石力學實驗的基礎上，根據不同的權重確定一定的折減系數，從而得到與現場實際相符的巖體力學參數，如表1 所示。

表1 數值模擬力學參數

(2)2-213工作面回采穩定運輸順槽塑性區分布情況

開挖2-213 工作面順槽，待順槽掘進擾動影響穩定后，回采2-213 工作面至設計停采線，待工作面回采穩定后，運輸順槽塑性區如圖3 所示。

圖3 采動影響穩定后運輸順槽塑性區分布圖

由圖3 可知，2-213 工作面回采穩定后運輸順槽兩幫煤體最大塑化寬度為2 m，頂板煤體最大塑化高度為4.5 m， 2-213 工作面運輸順槽錨桿索必須錨固在圍巖深部未塑化破壞區域，因此借助運輸順槽塑性區分布圖可知，在設計運輸順槽支護必須要將錨桿索錨固至穩定巖層中，所以巷道幫部支護必須至少錨固至2 m以外深部巖層中，而頂部錨固深度必須保證在4.5 m以外巖層中。

3.巷道支護設計

(1)2-213工作面運輸順槽支護設計方案

根據巷道圍巖性質、310 水平二采區回風巷、二采區皮帶巷及二采區軌道巷礦壓觀測資料及支護經驗,同時結合現場實際施工情況，2-213 工作面運輸順槽采用錨網梁、錨索復合支護，2-213 工作面運輸順槽具體支護形式，如圖4 所示。

圖4 2-213 工作面運輸順槽具體支護形式

運輸順槽頂板采用φ22 mm×2400 mm 左旋高強錨桿，輔助高強托板調心球墊和1010 尼龍墊圈，托盤采用規格為150 mm×150 mm×10 mm 方形高強度拱形托盤，并布置1 根4.4 m“W”鋼帶，每排6 根，排間距為800 mm×880 mm，每根頂錨桿使用1 條Z2388 型和1 條CKb2360 型樹脂錨固劑。幫部采用φ22 mm×2400 mm 左旋高強錨桿，輔助高強托板調心球墊和1010 尼龍墊圈，托盤采用規格為150 mm×150 mm×10 mm 方形高強度拱形托盤，每排每幫各5 根，排間距為800 mm×800 mm，特別要求幫部最上一根錨桿距順槽頂板300 mm 布置，每根幫錨桿使用1 條Z2388 型樹脂錨固劑，兩幫均采用2 根1.8 m、3 孔的“W”型鋼帶（每幫兩根鋼帶重疊一眼使用）。頂錨索規格為φ21.6 mm×8500 mm，錨索采用“三二”方式布置，排距為1600 mm，3 根時間距為1200 mm，2 根時間距為1600 mm，采用300 mm×300 mm×16 mm高強錨索托盤及配套鎖具,每孔使用1 條CKb2360 和2 條Z2388 型樹脂錨固劑；全斷面鋪設單層8# 鐵絲網，采用16#聯網絲。

(2)運輸順槽支護設計預應力模擬

通過理論計算配合數值模擬并且結合現場施工情況，利用FLAC3D對2-213 工作面運輸順槽支護形式進行錨桿索預應力模擬，運輸順槽采用上述支護方案后最大主應力云圖，如圖5 所示。

圖5 設計支護方案最大主應力云圖

①2-213 工作面采用錨網梁、錨索復合支護能夠將支護構件有效錨固預緊力施加至圍巖深部完整煤體中，這樣復合支護同圍巖形成統一承載結構，可以有效控制運輸順槽圍巖大變形問題。

②由于幫部煤體塑化深度2 m 左右，所以幫部只需進行錨桿支護即可將錨桿錨固至穩定煤體中。

③由于頂板圍巖塑化深度達到4.5 m，所以需要錨桿、錨索復合支護，只有這種支護方案才能確保運輸順槽在服務周期內不發生大范圍壓頂問題。

(3)現場應用監測效果

運輸順槽采用上述支護方案后，每隔50 m 對順槽整個斷面裝設圍巖變形在線監測設備及時觀測記錄巷道頂板、兩幫圍巖變形情況?，F對某一斷面圍巖測站進行長期監測，測點段巷道頂底板圍巖變形情況，如圖6 所示。

圖6 巷道圍巖變形監測

通過圖6 所示，測點段巷道在未受2-213 工作面回采擾動影響前，巷道沒有發生任何變形。隨著工作面不斷推進，頂板及兩幫圍巖發生持續變形，兩幫圍巖最大變形量為350 mm，頂板圍巖最大變形量穩定在240 mm，待工作面回采擾動影響過后，運輸順槽測點段圍巖變形幾乎不再增長。由此可見，運輸順槽采用錨網梁、錨索對巷道圍巖進行復合支護，有效控制圍巖繼續向深部塑化破壞，進而保證巷道圍巖變形控制在合理變形范圍內[6]。

4.結論

（1）本文以辛置煤礦2-213 工作面為工程背景，結合該礦區2#煤層地質賦存環境、鄰近巷道礦壓觀測資料及支護經驗，采用FLAC3D數值模擬研究方法，對2-213 工作面運輸順槽進行支護設計。

（2）利用FLAC3D對2-213 工作面運輸順槽支護形式進行錨桿索預應力模擬，模擬證實2-213 工作面采用錨網梁、錨索復合支護能夠將支護構件有效錨固預緊力施加至圍巖深部完整煤體中，這種復合支護同圍巖形成統一承載結構，可以有效控制運輸順槽圍巖大變形問題。

（3）現場實測結果表明，測點段巷道圍巖頂板圍巖變形穩定在350 mm，頂板變形量穩定在240 mm，由此證明巷道圍巖變形控制在合理變形范圍內，控制效果良好。