裴 松，萬志軍，張 源，朱成坦

（中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

1 1207工作面回采巷道圍巖情況概述

新安煤礦1207工作面回采巷道埋深在720～1 100m之間，位于安口～新窯向斜的軸部附近，小構(gòu)造相對(duì)較發(fā)育，頂?shù)装逯饕赡鄮r、砂質(zhì)泥巖組成，抗壓強(qiáng)度極低，直接頂厚度不穩(wěn)定，有“草帽滑”現(xiàn)象，裂隙發(fā)育，破碎易冒（表1）。

表1 1207工作面回采巷道煤層與頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)

1206掘進(jìn)工作面巷道圍巖頂?shù)装遄畲笞冃瘟?250mm；兩幫最大變形量850mm。1207工作面回采巷道埋深更大，應(yīng)該有更大變形量，推測1207掘進(jìn)工作面巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟吭?500mm以上，兩幫最大變形量1000mm以上。

巖性極軟弱：通過對(duì)新安煤礦回采巷道頂?shù)装鍘r石進(jìn)行X射線衍射分析及力學(xué)參數(shù)測定得知：巖石中含有較多的高嶺石、伊利石、石英，有部分菱鐵礦，及少量長石、方解石、白云石、伊蒙混層等礦物，圍巖泥化、砂化現(xiàn)象非常嚴(yán)重。

圍巖應(yīng)力水平高。①巷道埋深大：新安煤礦1207工作面回采巷道埋深900m左右，巷道上覆巖層的靜水壓力約為23.5MPa。隨著開采深度增加，應(yīng)力的增大，軟巖大變形特征將愈加明顯。②構(gòu)造應(yīng)力大新安煤礦1207工作面回采巷道位于安口—新窯向斜軸部附近，存在較大的構(gòu)造應(yīng)力，且巷道與主要構(gòu)造應(yīng)力夾角為40°左右。根據(jù)水平應(yīng)力理論當(dāng)巷道軸向與構(gòu)造應(yīng)力的夾角小于25°30°時(shí)，對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性影響較??；夾角大于25°30°時(shí)，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響較大。

2 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)已有的工程實(shí)踐，結(jié)合1207工作面具體地質(zhì)條件，提出四種支護(hù)方案。四種方案護(hù)表構(gòu)件均為：鋼帶采用直徑12mm，Q235－AF（A3）型圓鋼焊制，規(guī)格為長4.16m、3.36m、2.56m。

方案一錨桿支護(hù)。①巷道斷面：斷面為拱形，凈斷面尺寸：寬×高＝5.0m×3.0m，巷道沿煤層底板掘進(jìn)。②頂幫支護(hù)：巷道頂板：選用9根Φ22×2500mm的左旋高性能螺紋鋼錨桿（可實(shí)現(xiàn)連續(xù)一體化安裝）。頂板錨桿間距為800mm，垂直頂板布置，如圖1所示。兩幫：各選用2根Φ22×2200mm的普通螺紋鋼錨桿。幫錨桿間距如圖1所示，幫中部1根錨桿垂直煤幫布置，底角錨桿布置角度為30°。③錨固方式：錨桿采用端部錨固方式。④錨桿排距：初步確定錨桿排距為800mm。菱形網(wǎng)：菱形金屬網(wǎng)不僅可以維護(hù)錨桿之間的圍巖，防止破碎巖塊垮落，而且它緊貼在巷道表面，能夠提供一定的支護(hù)力，將錨桿之間巖層的載荷傳遞給錨桿，形成整體支護(hù)系統(tǒng)，一定程度上可以改善巷道表面巖層的受力狀況。10＃鐵絲編織，規(guī)格為寬×長＝1000mm×6000mm和寬×長＝1000mm×3000mm兩種。木托板：長×寬×厚＝400mm×200mm×50mm的新木料，必須使用優(yōu)質(zhì)濕柳木加工而成。金屬網(wǎng)：Φ6.5mm、規(guī)格為長×寬＝2000mm×900mm。

方案二錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)。①頂幫支護(hù)：巷道頂板：選用9根Φ18.9×4000mm的單根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索。頂板錨索間距為800mm，如圖2所示。兩幫：各選用2根Φ22×2200mm的普通螺紋鋼錨桿。幫錨桿間距如圖2所示，幫中部1根錨桿垂直煤幫布置，底角錨桿布置角度為30°。②錨固方式：錨桿（索）采用端部錨固方式。③錨桿（索）排距：初步確定錨桿（索）排距為800mm。

圖1 方案一錨桿支護(hù)方案示意圖

圖2 方案二短錨索支護(hù)方案示意圖

方案三錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)。①頂幫支護(hù)。巷道頂板：選用6根Φ22×2500mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿（可實(shí)現(xiàn)連續(xù)一體化安裝）和3根Φ18.9×8000mm的單根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索。頂板錨桿間距為800mm，錨桿垂直頂板布置，錨索間距1600mm，布置方式如圖3所示。兩幫：各選用2根Φ22×2200mm的普通螺紋鋼錨桿。幫錨桿間距如圖3所示，幫中部1根錨桿垂直煤幫布置，底角錨桿布置角度為30°。②錨固方式錨桿（索）均采用端部錨固方式。③錨桿（索）排距：初步確定錨桿排距為800mm，錨索排距為1600mm。

圖3 方案三錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方案示意

方案四長短錨索聯(lián)合支護(hù)：①頂幫支護(hù)。巷道頂板：選用6根Φ18.9×4000mm的根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索（可實(shí)現(xiàn)連續(xù)一體化安裝）和3根Φ18.9×8000mm的單根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索，錨索布置中采用“兩短一長”的布置方案，即打兩排短錨索，再打一排長錨索，在長錨索中間貫穿布置短錨索。頂板短錨索間距為800mm，垂直頂板布置，長錨索間距1600mm，布置方式如圖4所示。兩幫：各選用1根Φ18.9×4000mm的根鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索和1根Φ22×2200mm的普通螺紋鋼錨桿，幫中部1根錨索垂直煤幫布置，底角錨桿布置角度為30°，如圖4所示。②錨固方式：錨索均采用端部錨固方式。③錨索排距：初步確定短錨索排距為800mm，長錨索排距為1600mm。

圖4 方案四長短錨索聯(lián)合支護(hù)示意圖

3 巷道支護(hù)方案數(shù)值模擬研究

3.1 模型的建立

選取巷道走向中軸線為研究對(duì)象，建立三維力學(xué)模型。

模型尺寸為100m×100m×61m。

邊界條件：模型X、Y方向速度固定，Z方向速度自由，模型底部位移固定，頂部受均被載荷，為自由邊界，模型兩側(cè)各留40m以消除邊界效應(yīng)。

破壞準(zhǔn)則：摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)前述提出的四種支護(hù)方案，模擬不同支護(hù)條件下巷道變形情況，用以選擇合理的支護(hù)方式。

四種支護(hù)方式得到的巷道變形結(jié)果如圖5～12所示。

1）通過圖5、圖6可知，方案一產(chǎn)生的巷道最大頂?shù)装逡平繛?530mm，兩幫移近量為950mm，巷道變形較為劇烈，基本無法使用。表明單純的錨桿支護(hù)完全不能滿足要求。

2）通過圖7、圖8可知，方案二產(chǎn)生的巷道最大頂?shù)装逡平繛?625.8mm，兩幫移近量為526mm，巷道變形較方案一有所改善，但仍舊較為劇烈。由于方案二中錨固范圍較方案一大，因此對(duì)圍巖加固作用較方案一明顯，對(duì)巷道變形起到一定的限制作用，但該作用尚不滿足生產(chǎn)要求。

圖5 錨桿支護(hù)垂向位移場圖

圖6 錨桿支護(hù)水平位移場

圖7 短錨索支護(hù)垂向位移場圖

圖8 短錨索支護(hù)水平位移場

圖9 錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)垂向位移場圖

圖10 錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)水平位移場

圖11 長短錨索聯(lián)合支護(hù)垂向位移場圖

3）通過圖9、圖10可知，采用方案三巷道產(chǎn)生的最大頂?shù)装逡平繛?38mm，兩幫移近量為247mm。方案三與方案一相比頂板下沉有明顯改善，兩幫移近量也相對(duì)減小，說明8m長錨索發(fā)揮了顯著的懸吊作用，將巷道直接頂懸吊在老頂上，減小了巷道兩幫所受的頂板載荷。結(jié)果表明長錨索一方面發(fā)揮懸吊作用，對(duì)兩幫受力有一定改善；另一方面將直接頂與老頂巖層組成組合梁，增大了整體的抗變形能力，使頂板下沉顯著減小。

圖12 長短錨索聯(lián)合支護(hù)水平位移場

方案三與方案二相比兩幫移近量有所增加。原因在于方案三兩幫采用2500mm長的錨桿支護(hù)，比方案二中采用的4000mm錨索錨固范圍小，且錨桿由于較短無法將直接頂懸吊在基本頂上，所以變形相應(yīng)增大，表明4000mm的錨索對(duì)圍巖控制效果比錨桿更為明顯。

4）通過圖11、圖12可知，采用方案四巷道產(chǎn)生的最大頂?shù)装逡平繛?53mm，兩幫移近量為127mm，巷道變形得到明顯改善，表明采用4000mm錨索和8000mm長錨索聯(lián)合支護(hù)大大增加了錨固區(qū)范圍，錨索懸吊作用明顯，極大改善了錨固區(qū)范圍內(nèi)圍巖受力狀態(tài)，有效控制了圍巖變形，滿足安全生產(chǎn)的要求。

因此，最終確定選擇方案四。

4 巷道覆巖變化規(guī)律實(shí)測分析

根據(jù)1207工作面回采巷道鉆孔的布置及實(shí)測結(jié)果，對(duì)觀測結(jié)果進(jìn)行分析。

圖13給出了距孔口不同的距離的頂板變化情況：在距離孔口最近處，直接頂雖是砂質(zhì)泥巖，易破碎，下方有金屬菱形網(wǎng)支撐，在30cm處沒有出現(xiàn)明顯的破碎，隨著孔距的加深，頂板破壞較為明顯，直接頂?shù)暮穸燃s為120cm，在80cm和130cm處均出現(xiàn)了明顯的裂隙，在此處出現(xiàn)了離層，老頂為中粒砂巖，在150cm和193cm處也出現(xiàn)了明顯的裂隙，由于1207工作面回采巷道處于向斜構(gòu)造帶中，且鉆孔附近有小型斷層，導(dǎo)致了老頂?shù)牡撞苛严兜某霈F(xiàn)。在鉆孔深度為251cm以上時(shí)，未出現(xiàn)任何裂隙，說明此支護(hù)方案起到了較好的支護(hù)效果。

圖14中所示的鉆孔變化情況與圖5的變化情況基本相同。

圖13 1207軌道巷掘進(jìn)50m處頂板鉆孔探測圖

圖14 1207軌道巷掘進(jìn)100m處頂板鉆孔探測圖

5 主要結(jié)論

1）根據(jù)實(shí)際情況，提出了四種巷道支護(hù)方案，通過數(shù)值模擬方法，對(duì)各種支護(hù)方案的支護(hù)效果作出預(yù)計(jì)。

2）采用數(shù)值模擬計(jì)算方法，對(duì)四種巷道支護(hù)方案進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)比分析，方案四的頂?shù)装?、左右兩幫的變形量最小，確定為最佳的巷道支護(hù)方案。

3）通過對(duì)回采巷道頂板鉆孔的實(shí)測，觀測巷道頂板直接頂及老頂?shù)牧严肚闆r，根據(jù)觀測結(jié)果，說明全斷面長短錨索“兩短一長”耦合支護(hù)技術(shù)有效地控制了頂板的離層及老頂?shù)钠茐?，此種支護(hù)方案下可以有效地控制頂板的穩(wěn)定。

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