張國榮

（西山煤電集團有限責(zé)任公司西曲礦，山西 古交 030200）

西山煤電西曲礦6#煤巷道頂板巖層分類較多，各層厚度均較小，且各巖層間交界面摩擦力較小，巖層極易滑落、離層變形等，巷道支護成為一大難題。針對這種情況，研究人員以組合梁與組合拱理論[1]為基礎(chǔ)，設(shè)計研究拱-梁相耦合的共同支護體系，以6201工作面巷道為研究載體，研究分析最合理的拱-梁支護參數(shù)并實施于工程現(xiàn)場中，最終提出該類巷道圍巖的抗變形冒落的組合支護方法[2-4]。

1 工程概況與數(shù)值建模

5號煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖，破碎易冒落，靠近煤層有一層0.1～0.4m碳質(zhì)泥巖偽頂，節(jié)理發(fā)育，隨采隨冒?；卷敒榧?xì)粒砂巖，采后5～6個月冒落，呈周期性來壓，煤層厚度5.2m，底板為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖，采后無底鼓現(xiàn)象。6號煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖，煤層厚度8.5m，節(jié)理發(fā)育，距5號煤層底板11.2～13.7m，隨采隨冒，頂板較難管理。底板為砂質(zhì)泥巖或泥巖。

按照實際煤巖特性參數(shù)，擬定數(shù)值計算模型的尺寸及巖性特點，以礦井實際生產(chǎn)現(xiàn)狀為模擬原型，建立的模型中各煤巖層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 大采高巷道頂板圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

2 大采高巷道頂板支護結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

2.1 數(shù)值建模

結(jié)合西曲礦煤巖力學(xué)特性及賦存情況，運用FLAC3D數(shù)值軟件對6201工作面巷道圍巖開挖及圍巖主動支護參數(shù)擬合計算，以1:50的比例建立模型尺寸為40×40×10m。圍巖各項力學(xué)參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場實驗測定，如表1所示。

2.2 支護方案模擬

方案設(shè)計結(jié)合西曲礦6#煤實際工程概況和煤巖力學(xué)特性，設(shè)計采用兩種對比方案進行優(yōu)選。具體巷道支護方案如下：

第一種方案：大采高巷道頂板采用錨桿規(guī)格為Ф20×2000mm，巷道煤幫采用的錨桿規(guī)格為Ф16×1600mm，頂、幫錨桿間排距相同，設(shè)計為800mm；頂板錨索選用的規(guī)格為Ф17.8×8000mm，每個斷面布置一根獨錨索，步距為5m；錨固材料采用中速和快速兩種樹脂錨固劑，錨桿為一根中速、一根快速，錨索為三根中速、一根快速。

第二種方案：大采高巷道頂板采用錨桿規(guī)格為Ф20×2000mm，巷道煤幫采用的錨桿規(guī)格為Ф18×2000mm，頂、幫錨桿間排距相同，設(shè)計為800mm；頂板錨索選用的規(guī)格為Ф15.24×8000mm，每個斷面布置兩根錨索，兩根錨索呈八字形布置于巷道頂板中，垂直偏差角度約為20°，步距為6m；錨固材料采用中速和快速兩種樹脂錨固劑，錨桿為一根中速、一根快速，錨索為三根中速、一根快速。

兩種方案頂板支護設(shè)計如圖1：

圖1 兩種方案巷道頂板支護設(shè)計圖

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2 第一種方案巷道圍巖屈服破壞分布

對6#煤工作面巷道支護第一種方案進行數(shù)值計算，模擬計算大采高巷道圍巖支護條件下的屈服破壞情況，如圖2所示。

由數(shù)值模擬計算結(jié)果可以看出，采用獨錨索頂板支護方案，巷道圍巖屈服破壞主要集中在巷道左右兩肩部位置，巷道肩部所受地質(zhì)應(yīng)力較大，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在應(yīng)力集中區(qū)域，巷道圍巖破壞深度約為3.5～4m，最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)移至巷道肩角部位，約為2.7倍原巖應(yīng)力，巷道最大切向應(yīng)力發(fā)生在巷道兩幫部位，約為1.8倍原巖應(yīng)力，巷道圍巖受剪切破壞較嚴(yán)重，錨桿錨索聯(lián)合支護基本無法滿足圍巖穩(wěn)定性的要求。

圖3 第二種方案巷道圍巖剪切力分布云圖

對6#煤工作面巷道支護第二種方案進行數(shù)值計算，模擬計算大采高巷道圍巖支護條件下的圍巖所受地質(zhì)應(yīng)力情況，如圖3所示。

模擬大采高巷道圍巖壓力結(jié)果表明，由于改進為八字形布置錨索，有效加強了大采高巷道肩角部位圍巖的自承載能力，巷道肩部圍巖破壞深度大大減小，冒落只有部分小塊巖石，說明八字形布置錨索能夠有效控制大采高巷道圍巖的穩(wěn)定。采用錨桿-錨索拱梁耦合作用支護，使得大采高巷道圍巖全斷面屈服破壞深度最大僅為0.4m，巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移至巖體深部，斷面內(nèi)幾乎無應(yīng)力集中區(qū)域，最大主應(yīng)力約為1.1倍原巖應(yīng)力。同時大采高巷道斷面受剪切破壞作用較小，巷道基本保持原有的開挖斷面形狀，最大剪切應(yīng)力僅為0.85倍原巖應(yīng)力[5]，八字形錨索承載拱與錨桿巖梁共同承載大采高巷道全斷面剪應(yīng)力，有效控制了大采高巷道圍巖的坍塌冒落，圍巖穩(wěn)定性得到大大控制。

3 工程實踐

通過分析對比兩種支護方案可知，優(yōu)先選用改進的八字形錨索組合拱和錨桿組合梁相耦合的支護方案，能夠有效控制大采高巷道圍巖的穩(wěn)定性。將第二種支護方案應(yīng)用于6#煤6201工作面大采高巷道支護中，進行井下現(xiàn)場工程監(jiān)測研究，圖4和圖5分別為采用第二種支護方案下的大采高巷道圍巖的移動變形隨時間變化曲線和巷道圍巖錨桿支護載荷隨時間的變化曲線，工程實踐連續(xù)監(jiān)測30d數(shù)據(jù)，結(jié)果分析如下：

如圖4所示，在巷道開挖推進10d內(nèi)，圍巖移動變形幅度較大，約為20mm，占巷道30d總變形量的65.3%。說明由于開挖擾動圍巖，初期圍巖變形大，后期圍巖在耦合支護作用下保持巷道圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

圖4 巷道圍巖變形（mm）--時間（d）曲線

圖5 表明在大采高巷道開挖初期，原巖應(yīng)力遭到破壞，初期表現(xiàn)為圍巖應(yīng)力的重新分布，急劇上升，7d內(nèi)最大錨桿支護載荷達(dá)52.5kN，占30d穩(wěn)定后的最大載荷的81.2%，說明巷道支護前期錨桿讓壓適應(yīng)圍巖的開挖擾動，后期大采高巷道圍巖隨著巷道的繼續(xù)推進，始終保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。綜合來說，采用八字形布置錨索聯(lián)合錨桿組合梁耦合支護能夠保證西曲礦6#煤大采高巷道的穩(wěn)定。

針對西曲礦6#煤大采高工程實例，研究6201工作面巷道在不同支護條件下的巷道穩(wěn)定性，通過采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實踐相結(jié)合的方法，得出以下結(jié)論：

（1）大采高巷道頂板圍巖分類較多，極不穩(wěn)定，巷道在地應(yīng)力的作用下穩(wěn)定性較差，巷道圍巖變形破壞主要發(fā)生在易形成應(yīng)力集中的區(qū)域，巷道肩角圍巖穩(wěn)定性控制難度大，主要是因為頂板巖層分類較多且厚度較小。

（2）采用八字形頂錨索布置聯(lián)合錨桿組合梁共同支護大采高巷道圍巖，通過數(shù)值模擬計算研究和現(xiàn)場工程實際監(jiān)測研究，該方案取得了較好的支護成效，巷道圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制，為煤礦安全采掘和生產(chǎn)提供了保證。

圖5 巷道圍巖支護載荷（kN）--時間（d）曲線