武守富

（汾西礦業(yè)集團(tuán)中興煤業(yè)公司，山西 交城 030500）

1 工程背景

中興礦3217工作面采用沿空留巷技術(shù)，3217材料巷為上區(qū)段3215工作面回采過程中通過高水充填材料而保留的巷道，工作面切眼長度為190m，沿走向回采長度為1600m。主要開采2號煤層，煤層均厚1.8m，上覆頂板為軟弱復(fù)合頂板，主要成分為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖與薄煤層的復(fù)合巖層。3217工作面巷道均為矩形斷面，尺寸為5.0m（寬）×3.0m（高），原支護(hù)方式如圖1所示。

頂板支護(hù)：選用22×2400mm的螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為790×800mm，除靠近巷幫的兩根頂錨桿與水平方向成75°布置外，其余均垂直于頂板布置；每根錨桿配合使用K2355和Z2355錨固劑各一支；配合頂板錨桿，使用了W-280-3-4900-7型W鋼帶，尺寸為4900×280×3mm；頂板同時使用了錨索，尺寸為21.6×7300mm，間距1000mm，排距1600mm，錨固劑使用一支K2355型在上、兩支Z2355型在下。

幫部支護(hù)：使用20×2200mm的螺紋鋼錨桿，每排施工四根錨桿，上排錨桿距頂板300mm，錨桿間距均為800mm，排距800mm；錨固劑使用一支K2355型錨固劑，配合每根幫錨桿使用了尺寸為500×280×3mm的W鋼帶，上面三根幫錨桿的W鋼帶縱向布置，最下層的幫錨桿W鋼帶橫向布置；幫部使用幫錨索，采用 21.6×5300mm的鋼絞線錨索，間距為3200mm，據(jù)巷道頂板為1500mm。

圖1 3217材料巷支護(hù)斷面圖

2 3217材料巷沿空留巷底鼓規(guī)律

中興礦采用沿空留巷技術(shù)以來，在現(xiàn)場實踐中主要遇到的問題就是留巷底鼓量大，尤其二次回采過程中底鼓變形更為劇烈，嚴(yán)重時需進(jìn)行多次臥底返修，成為制約回采速度的最大瓶頸。在3217材料巷內(nèi)布置2個圍巖變形測站，超前回采工作面距離分別為80m和100m，對二次回采過程中巷道圍巖變形進(jìn)行觀測。

3217材料巷二次回采期間底鼓變形曲線如圖2所示。由圖2可知，在二次回采期間巷道底鼓量最大為142mm，最大底鼓變形速率為34mm/d，巷道底鼓變形可分為緩增期、快速增長期和激增期。在工作面前方100～40m范圍由于距離工作面較遠(yuǎn)，受回采動壓影響較小，巷道底鼓變形量增長緩慢，底鼓量由0增長到40～50mm，最大底鼓變形速率為8mm/d，屬于底鼓變形緩增期；在工作面前方40～20m范圍，隨著回采的推進(jìn)，巷道底鼓變形進(jìn)入快速增長期，底鼓量增加到70mm，最大變形速率增長到15mm/d；在工作面前方20m范圍內(nèi)，受到工作面回采超前支承壓力的影響，巷道底鼓變形進(jìn)入激增期，底鼓量由70mm激增到 128～142mm，最大底鼓變形速率達(dá)到34mm/d，發(fā)生嚴(yán)重底鼓變形。

圖2 3217材料巷二次回采期間底鼓變形曲線

3 底鼓原因分析及防治技術(shù)

3.1 底鼓原因

巷道底鼓是高應(yīng)力、破碎圍巖巷道變形和破壞的一種主要方式。井下巷道實際破壞狀況表明，中興礦巷道底鼓形式以力學(xué)型為主。由于巷道處于高應(yīng)力、破碎蠕變巖體中，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，整體性差，底鼓形狀多為整體底鼓和弧狀型底鼓，底鼓量較大，屬于強(qiáng)烈底鼓，局部地段屬于劇烈底鼓。

3.2 底鼓防治技術(shù)

高強(qiáng)度錨桿與錨索支護(hù)是一種優(yōu)越的支護(hù)方式，可以取得良好支護(hù)效果?？紤]到中興礦巷道底板巖性條件較差，將底腳錨桿（索）支護(hù)與巷旁支護(hù)、巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)結(jié)合起來是一種有效控制巷道底鼓的方法。針對中興礦巷道破壞特征，擬采用高強(qiáng)度錨桿索、管縫式錨桿與巷旁、巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)聯(lián)合治理加固技術(shù)來控制中興礦高應(yīng)力、破碎圍巖巷道底鼓。

結(jié)合工程設(shè)計經(jīng)驗，確定錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)：頂?shù)装?、幫部錨桿長度不低于2m，間排距為0.8m～1.1m，錨桿直徑大于18mm，頂錨索長度擬定為7.3m，幫錨索長度擬定為5.3m。

考慮到中興礦沿空留巷變形以底鼓變形為主，結(jié)合“強(qiáng)幫強(qiáng)角固底”的支護(hù)理念，對原方案設(shè)計參數(shù)做出一定的優(yōu)化，具體如下：

頂板支護(hù)優(yōu)化：改變錨桿與錨索獨立布置的布設(shè)方法，改為錨桿與錨索同排布設(shè)，用W鋼帶連接固定。即頂板每排布設(shè)3根錨索，替換中間及兩側(cè)第二根錨桿，錨桿排距保持不變，其中兩側(cè)的頂錨索分別向兩邊傾斜15°，以達(dá)到對角部的強(qiáng)化作用；將頂板錨桿排距由800mm調(diào)整到900mm。

幫部支護(hù)優(yōu)化：幫部錨索與幫錨桿同排布置，替換從上向下第二根幫錨桿，每兩排幫錨索之間增設(shè)一道錨索；將幫部錨桿用16×2800mm鋼筋梯子梁固定；將幫錨桿的長度從2200mm調(diào)整到2400mm，和頂錨桿保持一致；將最上排幫錨桿向上傾斜15°布置，并將幫錨桿的錨固劑由原來一支Z2355改為與頂錨桿相同的錨固劑，即一支K2355錨固劑在上（孔底），一支Z2355錨固劑在下，以達(dá)到強(qiáng)化角部的效果；將幫錨桿排距由800mm調(diào)整到900mm。

底板支護(hù)優(yōu)化：在巷道掘進(jìn)時，對底板做圓弧狀超挖，一方面改善圍巖應(yīng)力分布，另一方面可以作為抵御巷道底鼓變形的儲備；在巷道底腳增設(shè)一排34×1800mm管縫式錨桿，用于抵御巷道底腳周圍圍巖的剪切變形，具體布置方式見圖3所示。

圖3 3217材料巷支護(hù)方案優(yōu)化圖

4 數(shù)值模擬計算

為了驗證優(yōu)化方案效果，利用FLAC3D軟件進(jìn)行建模分析。選擇模型寬度為65m，高度為40.3m，進(jìn)深長度為80m，模型共173850個單元，183396個節(jié)點。巷道尺寸為5m×3m，巖層參數(shù)見表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

模型邊界條件為：底面固定，頂面自由，其余四面限制法向位移。模擬時在模型頂部施加補(bǔ)償荷載，其值為模型頂面所處地層的自重應(yīng)力。模型進(jìn)行分步開挖，原方案每步1.6m，優(yōu)化方案每步1.8m，兩次開挖為一個循環(huán)，開挖階段模擬16個循環(huán)，即原方案開挖51.2m，優(yōu)化方案開挖57.6m。對錨桿和錨索的模擬均采用cable單元，W鋼帶則采用beam單元。

兩種方案的頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平咳鐖D4所示?？梢钥闯?，原方案在一次回采后頂?shù)装逡平繛?11mm，兩幫移近量為273mm，優(yōu)化方案在一次回采后頂?shù)装逡平繛?68mm，兩幫移近量為202mm；原方案在二次回采后頂?shù)装逡平繛?02mm，兩幫移近量為655mm，優(yōu)化方案在二次回采后頂?shù)装逡平繛?15mm，兩幫移近量為331mm。優(yōu)化方案在各個時期的巷道變形均大幅小于原方案，巷道最終變形量在330mm左右，可以滿足使用要求。

圖4 兩種方案不同時期巷道累計變形

巷旁支護(hù)所采用的不同支護(hù)措施對圍巖變形情況及變形劇烈程度密切相關(guān)。若采用墻式巷旁支護(hù)方式時，充填體寬度也將是影響底臌的主要影響因素?，F(xiàn)采用數(shù)值模擬的方法對巷旁充填體厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。模擬根據(jù)填充體厚度不同設(shè)計了三種方案，設(shè)置監(jiān)測點監(jiān)測填充體厚度分別為2.5m、3m、5m時的巷道變形。巷道變形及塑性區(qū)分布如圖5所示：

圖5 不同寬度填充體巷道圍巖塑性區(qū)分布

可以發(fā)現(xiàn)，隨著填充體寬度增加，充填體承載面積不斷增大，充填體下方塑性區(qū)分布面積增加。充填體寬度越大，分擔(dān)力的面積越大，傳遞給底板造成的破壞范圍相應(yīng)也大；但相應(yīng)的降低了煤壁一側(cè)及充填體下方的應(yīng)力集中，對抑制巷道底臌變形起到了積極的作用。位于巷道底板中點的監(jiān)測點顯示，充填體寬度由2.5m增加到3m時，底臌量減少了33%，充填體寬度由3m增加到5m時，底臌量僅減少8%。由此可見，一味地增加填充體寬度并不能更為有效地控制巷道變形，反而增加巷道建設(shè)成本。綜上所述，應(yīng)選擇3m的填充墻作為巷旁支護(hù)。

5 結(jié) 論

1）巷道底鼓是高應(yīng)力、破碎圍巖巷道變形和破壞的一種主要方式。井下巷道實際破壞狀況表明，中興礦巷道底鼓形式以力學(xué)型為主。針對中興礦巷道破壞特征，擬采用高強(qiáng)度錨桿索、管縫式錨桿與巷旁、巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)聯(lián)合治理加固技術(shù)來控制中興礦高應(yīng)力、破碎圍巖巷道底鼓。

2）由數(shù)值模擬可知：原方案在一次回采后頂?shù)装逡平繛?11mm，兩幫移近量為273mm，優(yōu)化方案在一次回采后頂?shù)装逡平繛?68mm，兩幫移近量為202mm；原方案在二次回采后頂?shù)装逡平繛?02mm，兩幫移近量為655mm，優(yōu)化方案在二次回采后頂?shù)装逡平繛?15mm，兩幫移近量為331mm。

3）優(yōu)化方案在各個時期的巷道變形均大幅小于原方案，巷道最終變形量在330mm左右，同時將充填墻體寬度設(shè)置為3m，可以滿足巷道使用要求。