郝曉飛

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 工程概況

山西省陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)8128 工作面位于8#煤層蘆南區(qū)北翼采區(qū)，工作面北部為525 m 水平回風(fēng)大巷，南部為采區(qū)大巷，東部為未回采的8127 工作面，西部為未回采的8129 工作面。8#煤層平均厚度為2.89 m，平均傾角7°，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，屬于松軟煤層。煤層頂板巖層主要為砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖，其中直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為8.1 m，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育較大，巖層完整性較差，屬于厚層軟弱頂板煤層；底板巖層主要為砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖。

8128 工作面進(jìn)風(fēng)巷沿8#煤層頂板掘進(jìn)，斷面為矩形，掘?qū)挕辆蚋?5.2 m×3.0 m。巷道原支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板及兩幫錨桿（索）的排距均為1 m，如圖1。由于進(jìn)風(fēng)巷頂板屬于軟弱頂板，煤層節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巷道在掘進(jìn)前200 m 時(shí)，發(fā)現(xiàn)在該支護(hù)方案下圍巖頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟枯^大，其中兩幫最大移近量達(dá)到0.6 m，最大頂?shù)装逡平繛?.45 m。為保障工作面回采期間巷道的正常使用，需進(jìn)行巷道支護(hù)方案的優(yōu)化研究。

2 巷道圍巖條件及支護(hù)參數(shù)分析

2.1 巷道圍巖地質(zhì)條件

在8128 工作面進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)進(jìn)行水力壓裂測(cè)試地應(yīng)力[1-2]，根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出巷道圍巖最大和最小水平主應(yīng)力分別為15.13 MPa 和8.49 MPa，方向均為北偏東36.2°；巷道圍巖垂直主應(yīng)力為11.36 MPa。據(jù)此可知，巷道圍巖的最大應(yīng)力在水平方向，這是影響兩幫變形量較大的主要原因。

根據(jù)水力壓裂測(cè)試期間的鉆孔窺視結(jié)果可知，進(jìn)風(fēng)巷頂板0～9.5 m 范圍內(nèi)為砂質(zhì)泥巖，該巖層的平均抗壓強(qiáng)度為91.79 MPa，砂質(zhì)泥巖上方巖層為砂巖。且根據(jù)窺視結(jié)果可知，進(jìn)風(fēng)巷頂板5.6～8 m范圍內(nèi)的砂質(zhì)泥巖的節(jié)理裂隙發(fā)育程度小，該高度內(nèi)的巖層能夠作為巷道頂板有效持力層。

圖1 8128 進(jìn)風(fēng)巷原有支護(hù)斷面圖

2.2 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

基于上述地質(zhì)條件的分析結(jié)果可知，巷道圍巖較為松軟，需加強(qiáng)巷道圍巖的支護(hù)強(qiáng)度，確保錨索錨固在穩(wěn)定巖層內(nèi)，故支護(hù)優(yōu)化的合理方向?yàn)榭s小錨桿間排距和調(diào)整錨索長(zhǎng)度。為保障兩幫圍巖的穩(wěn)定，在兩幫增設(shè)錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)[3-4]。為合理選擇支護(hù)優(yōu)化方案，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立長(zhǎng)×寬×高=100 m×100 m×40 m 的數(shù)值模型，根據(jù)巷道圍巖的地質(zhì)條件進(jìn)行模型各項(xiàng)參數(shù)的賦值，并在模型初始地應(yīng)力平衡后進(jìn)行巷道的開(kāi)挖和支護(hù)作業(yè)。結(jié)合具體的類似工程實(shí)踐，設(shè)置模擬方案見(jiàn)表1。

分析圖2可知，巷道圍巖的變形量隨著錨桿（索）支護(hù)密度的降低而逐漸增大。在由支護(hù)方案一變?yōu)榉桨溉龝r(shí)，隨著錨桿（索）支護(hù)密度的增大，巷道圍巖的變形量的變化幅度較小，從圖中能夠看出從支護(hù)方案二變化支護(hù)方案三時(shí)，頂板下沉量?jī)H增大15.09%；但支護(hù)方案三變?yōu)橹ёo(hù)方案五時(shí)，巷道圍巖的變形量便出現(xiàn)了較大幅度的增大，從圖中能夠看出巷道圍巖支護(hù)方案由三變?yōu)樗臅r(shí)，頂板下沉量增大50.82%，由支護(hù)方案四進(jìn)一步變化為方案五時(shí)，圍巖變形量進(jìn)一步增大，此時(shí)頂板下沉量增大64.8%。

綜合上述數(shù)值模擬的分析結(jié)果可知，巷道圍巖在支護(hù)方案三時(shí)，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟烤^小，且在支護(hù)方案三的基礎(chǔ)上降低錨桿（索）的密度時(shí)，巷道圍巖會(huì)出現(xiàn)較大程度的變形。故在保障巷道圍巖穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，基于經(jīng)濟(jì)的原則[5-6]，確定巷道支護(hù)選用方案三，進(jìn)一步結(jié)合巷道地質(zhì)條件，確定錨索的參數(shù)為Φ21.6 mm×6200 mm的1×7股鋼絞線。

表1 8128 工作面進(jìn)風(fēng)巷巷道圍巖支護(hù)模擬方案表

基于數(shù)值模擬結(jié)果，可繪制出不同支護(hù)方式下巷道圍巖變形量的分布圖如圖2。

圖2 不同支護(hù)方案下圍巖變形量直方圖

3 支護(hù)方案優(yōu)化及效果

3.1 優(yōu)化支護(hù)方案

（1）頂板支護(hù)。錨桿采用Φ20 mm×2000 mm的500#左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1000 mm，錨桿采用加長(zhǎng)錨固方式，設(shè)置錨固長(zhǎng)度為1102 mm，錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m；錨索采用Φ21.6 mm×6200 mm 的1×7 股鋼絞線，間排距為1800 mm×1000 mm，端頭錨固長(zhǎng)度為1508 mm，預(yù)緊力為150 kN。另外為增加頂板支護(hù)體系的整體性，采用W型鋼帶將錨桿（索）有效連接為一個(gè)整體，鋼帶長(zhǎng)×寬×厚=4800 mm×280 mm×4 mm，采用10#鐵絲編織的經(jīng)緯網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，經(jīng)緯網(wǎng)規(guī)格為

5600 mm×1100 mm。

（2）兩幫支護(hù)。錨桿型號(hào)及錨固方式同頂板，幫部錨索采用Φ21.6 mm×4200 mm 的1×7 股鋼絞線，二二布置，設(shè)置間排距為1400 mm×2000 mm，幫部錨索的預(yù)緊力為100 kN，同樣為保障幫部錨桿（索）的整體性，采用W 型鋼帶將錨桿（索）連接為一個(gè)整體，并通過(guò)10#鐵絲編織的經(jīng)緯網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表。

8128 工作面進(jìn)風(fēng)巷優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖3。

圖3 8128 進(jìn)風(fēng)巷優(yōu)化后支護(hù)斷面圖

3.2 效果分析

為驗(yàn)證8128 工作面進(jìn)風(fēng)巷優(yōu)化支護(hù)方案的圍巖控制效果，在巷道采用優(yōu)化后支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)，在巷道掘進(jìn)迎頭的位置處設(shè)置巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，并隨著巷道掘進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行持續(xù)進(jìn)行巷道圍巖變形情況的監(jiān)測(cè)，直至監(jiān)測(cè)至監(jiān)測(cè)斷面距離巷道掘進(jìn)迎頭150 m 的位置處。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠得出巷道圍巖變形量與距巷道掘進(jìn)頭之間的關(guān)系曲線，曲線如圖4。

分析圖4 可知，巷道采用優(yōu)化后的支護(hù)方案后，隨著巷道掘進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行，圍巖變形量逐漸增大。監(jiān)測(cè)斷面在距掘進(jìn)頭0～80 m 的范圍內(nèi)變形速率較大，當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面滯后工作面80 m 后，此時(shí)頂?shù)装寮皟蓭妥冃嗡俾示蠓鶞p小，當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面滯后掘進(jìn)工作面130 m 時(shí)，巷道圍巖變形基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從圖中能夠看出巷道圍巖變形量由大到小分別為：頂板下沉量、采煤幫移近量、煤柱幫移近量、底板鼓起量，最終巷道變形穩(wěn)定時(shí)頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為296 mm 和281 mm，較原方案支護(hù)的變形量有大幅度降低，巷道圍巖變形量滿足回采巷道的使用要求。

圖4 巷道表面位移曲線圖

4 結(jié)論

通過(guò)分析8128 工作面地質(zhì)條件和巷道原有支護(hù)方式下圍巖變形特征，確定圍巖最大主應(yīng)力為水平方向，頂板5.6～8 m 巖層較為完整、穩(wěn)定?；诘刭|(zhì)分析結(jié)果采用數(shù)值模擬進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的優(yōu)選，并最終確定優(yōu)化后的支護(hù)方案為縮小錨桿間排距、增長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度和回采幫增設(shè)錨索。通過(guò)巷道表面位移監(jiān)測(cè)可知，優(yōu)化后的支護(hù)方案能夠保障巷道圍巖的穩(wěn)定。