王 磊

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司曙光煤礦，山西 孝義 032300）

1 工程概況

汾西礦業(yè)集團(tuán)曙光煤業(yè)1226工作面主采2#煤層，煤層標(biāo)高在+468～+508m之間，煤層均厚2.85m，傾角1～4°。2#煤層的偽頂為炭質(zhì)泥巖，均厚0.4m；直接頂為粉砂巖質(zhì)泥巖，均厚約6m；基本頂為細(xì)砂巖，均厚5m。1226材料巷沿2#煤層掘進(jìn)。材料巷位于一采區(qū)西翼，北為尚未掘進(jìn)的1226運(yùn)輸巷，南鄰尚未掘進(jìn)的1224運(yùn)輸巷，東鄰一采集中軌道巷，西至一采區(qū)邊界，設(shè)計(jì)全長1951.5m。在掘進(jìn)時(shí)巷道圍巖變形量大，掘進(jìn)工作面空頂區(qū)頂板易出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，急需采取合理的支護(hù)手段解決頂板冒落及巷道圍巖變形量大的問題。

2 空頂區(qū)頂板穩(wěn)定性分析

巷道在采用快速掘進(jìn)工藝時(shí)，掘進(jìn)工作面空頂區(qū)頂板的穩(wěn)定性主要會(huì)受到掘進(jìn)迎頭結(jié)構(gòu)、空頂距離以及巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

（1）掘進(jìn)迎頭結(jié)構(gòu)的影響

掘進(jìn)空頂區(qū)頂板由于處于無支護(hù)的狀態(tài)，會(huì)在掘進(jìn)擾動(dòng)和巖體自重的綜合作用下出現(xiàn)頂板破斷、冒落情況。掘進(jìn)迎頭結(jié)構(gòu)對(duì)空頂區(qū)頂板主要起到支撐作用，根據(jù)相關(guān)研究表明[1-2]，當(dāng)空頂距離為0～2m時(shí)，掘進(jìn)迎頭的支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)頂板起到主要的控制作用，當(dāng)空頂區(qū)距離為3～7m時(shí)，迎頭的支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)支護(hù)區(qū)頂板的影響程度大于對(duì)空頂區(qū)頂板的影響程度，當(dāng)空頂距離為8～10m時(shí)，迎頭支護(hù)結(jié)構(gòu)不會(huì)影響支護(hù)區(qū)的穩(wěn)定性，但此時(shí)空頂區(qū)中部的頂板下沉量會(huì)較大。

（2）空頂距離的影響

空頂距離的變化會(huì)對(duì)空頂區(qū)域圍巖的變形程度產(chǎn)生較大的影響，空頂區(qū)頂板巖梁的撓曲程度會(huì)隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)滯后掘進(jìn)迎頭距離的增大而不斷增大，其中空頂區(qū)頂板及兩幫移近量會(huì)隨著空頂區(qū)距離的增大呈現(xiàn)非線性增大趨勢(shì)，且增加速度會(huì)逐漸減小[3-4]，另外隨著空頂距離的增大，空頂區(qū)中部會(huì)處于無約束狀態(tài)，從而致使中部出現(xiàn)拉應(yīng)力分布，在進(jìn)行掘進(jìn)施工時(shí)應(yīng)注意該區(qū)域頂板的穩(wěn)定性。

（3）巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

掘進(jìn)巷道的支護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是影響空頂區(qū)頂板穩(wěn)定性的主要因素，與掘進(jìn)迎頭結(jié)構(gòu)共同控制著空頂區(qū)頂板的變形量，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度大時(shí)，巷道頂板與支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠共同承載上覆巖層的載荷，但當(dāng)巷道的支護(hù)強(qiáng)度較小時(shí)，空頂區(qū)頂板需要變形卸壓用來適應(yīng)現(xiàn)有的支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過合理的提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能夠有效地改善空頂區(qū)頂板的整體承載狀態(tài)。

3 高性能錨桿圍巖控制方案

3.1 高性能錨桿圍巖控制方案

根據(jù)1226工作面材料巷在掘進(jìn)過程中圍巖的變形特征并結(jié)合空頂區(qū)頂板穩(wěn)定性的分析結(jié)果選擇采用大間距、大排距的高性能錨桿對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，高性能錨桿具有初期預(yù)應(yīng)力和后期高承載力的特點(diǎn)，同時(shí)能夠較快的達(dá)到工作載荷，從而有效地控制巷道圍巖變形。

（1）空頂區(qū)合理寬度

根據(jù)1226工作面的地質(zhì)資料，對(duì)合理的空頂區(qū)距離進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果得出圍巖變形量—空頂距之間的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 不同空頂距下巷道圍巖變形量

根據(jù)圖1可知，巷道圍巖的變形量會(huì)隨著空頂距的增大而逐漸增大，在空頂距小于5m時(shí)，巷道圍巖的變形量均小于100mm，在空頂距大于5m時(shí)，巷道圍巖的變形量增幅較大。結(jié)合1226工作面的巷道變形情況距空頂區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響因素，為保證空頂區(qū)頂板的穩(wěn)定性，確定空頂區(qū)的距離為4m。

（2）頂錨桿的長度

根據(jù)松動(dòng)圈理論可知，頂錨桿的長度L計(jì)算表達(dá)式為：

式中：

L-錨桿長度，m；

h-圍巖的破壞高度，m；

k-安全系數(shù)，根據(jù)服務(wù)年限確定，取值范圍為1～2.5；

L1-錨桿的外露長度，m；

L2-錨桿錨入穩(wěn)定地層的深度，m。

綜合考慮1226工作面的地質(zhì)資料確定k=1.5，h=1.6m，L1=0.1m，L2=0.3m，據(jù)此代入式（1）能夠得出頂板錨桿的長度為2.8m。

（3）幫錨桿的長度

根據(jù)松動(dòng)圈理論，幫錨桿的長度為：

式中：

L-幫錨桿的長度，m；

L1-錨桿的外露長度，取為0.1m；

L2-圍巖的松動(dòng)圈厚度，m；

L3-錨桿的錨固長度，取值范圍為0.3～0.4m。

根據(jù)材料巷圍巖的普氏系數(shù)確定圍巖松動(dòng)圈的厚度為1.6m，取錨固長度為0.3m，故能夠得到幫錨桿的長度為2.0m。

（4）錨桿（索）直徑與預(yù)緊力

根據(jù)錨桿直徑的經(jīng)驗(yàn)公式，Dmzj=Lmg/110=21.8mm，并結(jié)合曙光煤業(yè)常用的左旋縱筋螺紋鋼錨桿直徑，確定錨桿（索）直徑為22mm。

根據(jù)眾多研究結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)知，錨桿的預(yù)緊力一般選擇為桿體屈服載荷的30%～50%，確定錨桿預(yù)緊力為60kN，錨索預(yù)緊力為250kN。

（5）錨桿間排距

根據(jù)1226工作面材料的地質(zhì)資料，通過數(shù)值模擬對(duì)不同的錨桿間距和排距下圍巖塑性區(qū)的分布狀態(tài)進(jìn)行分析。首先對(duì)合理的錨桿間距進(jìn)行分析，通過布置兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，方案一：頂板布置6根錨桿，間距為900mm；方案二：頂板布置4根錨桿，間距為1100mm，其余支護(hù)參數(shù)兩方案均相同，錨桿直徑均為22mm，巷道頂板及兩幫錨桿的排距均設(shè)置為1000mm。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可得塑性區(qū)的分布狀態(tài)如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，當(dāng)錨桿的間距由900mm增大到1100mm時(shí)，巷道圍巖的塑性區(qū)域出現(xiàn)明顯的增大，其中頂板巖層的塑性區(qū)的深度增大較為明顯。根據(jù)上述結(jié)果為確定合理的錨桿支護(hù)間距，在不改變其他支護(hù)參數(shù)時(shí)，進(jìn)一步對(duì)頂板錨桿間距為750mm時(shí)進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，頂板錨桿間距為750mm時(shí)塑性區(qū)域的范圍比間距為900mm時(shí)圍巖的塑性區(qū)范圍減小，但減小的塑性區(qū)域的范圍較小，故綜合考慮，確定頂板錨桿的間距為900mm。

圖2 不同頂板錨桿間距時(shí)圍巖塑性區(qū)分布

在錨桿直徑為22mm、頂板錨桿間距為900mm、幫部錨桿間距為1100mm的條件下，對(duì)錨桿排距為1000mm和1200mm時(shí)巷道圍巖的塑性區(qū)分布進(jìn)行模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果兩種不同排距下錨桿的塑性區(qū)分布如圖3所示。

圖3 不同排距下圍巖塑性區(qū)分布

通過分析圖3可知當(dāng)錨桿的排距由1000mm增大到1200mm時(shí)，兩幫塑性區(qū)域的變化量較小，但頂板塑性區(qū)域出現(xiàn)明顯的增大現(xiàn)象。根據(jù)模擬結(jié)果可知，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)縮小錨桿的排距能夠有效地控制巷道塑性區(qū)的范圍，提高圍巖的控制效果。故在不改變其他參數(shù)的情況下，對(duì)錨桿排距為800mm時(shí)的圍巖塑性區(qū)的分布進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示頂板圍巖塑性區(qū)域進(jìn)一步縮小，兩幫塑性區(qū)的范圍基本未出現(xiàn)變化。根據(jù)材料巷的具體頂板條件，綜合考慮后確定錨桿的排距為1000mm。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)確定巷道頂板錨桿間排距為900×1000mm，頂板錨索排距為5000mm，兩幫錨桿間排距為1100×1000mm，并使用鋼筋梯子梁和金屬網(wǎng)配合高性能錨桿進(jìn)行支護(hù)，具體的巷道支護(hù)參數(shù)如圖4所示。

3.2 應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證巷道支護(hù)方式的合理性，在巷道布置測(cè)站，對(duì)巷道的表面位移進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，持續(xù)觀測(cè)1個(gè)月，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪出如圖5所示的巷道圍巖變形—時(shí)間曲線。

圖4 巷道支護(hù)斷面圖

圖5 巷道圍巖變形曲線圖

根據(jù)圖5能夠看出，在巷道采用支護(hù)方案后約15d時(shí)，巷道頂板及兩幫變形量便基本達(dá)到穩(wěn)定。頂?shù)装宓淖畲笠平繛?8mm，兩幫的最大移近量為103mm，且在巷道掘進(jìn)期間無冒頂現(xiàn)象的出現(xiàn)，故可知該支護(hù)方案有效地控制了巷道圍巖的變形。

4 結(jié)論

通過分析巷道掘進(jìn)期間迎頭結(jié)構(gòu)、空頂距離及支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)空頂區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響，結(jié)合1226工作面材料的具體情況，得出合理空頂距離為4m的結(jié)論，提出采用高性能錨桿支護(hù)對(duì)圍巖變形量進(jìn)行控制方案。支護(hù)方案實(shí)施后，頂?shù)装遄畲笠平繛?8mm，兩幫最大移近量為103mm，有效地保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。