夏鵬飛

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦10-1002 工作面位于一采區(qū)準備大巷左翼。工作面以東145 m 為南區(qū)集中皮帶巷；以南為實體煤，緊鄰一采區(qū)邊界；以西為實體煤；以北為一采區(qū)三條大巷。工作面開采10#煤層，煤層平均厚度為2.85 m，平均傾角為6°。煤層結構復雜，煤層中部夾三層炭質泥巖，煤層厚度變化不大，屬較穩(wěn)定煤層。工作面區(qū)域煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征表

10-1002 巷為工作面回采時運料、行人等服務，巷道10#煤層底板掘進，凈度×凈高=4.4 m×2.8 m。由于巷道頂?shù)装鍘r層均為泥巖，且泥巖內節(jié)理裂隙較為發(fā)育，10#煤層結構也較為復雜，故巷道圍巖屬于軟弱圍巖。為保障巷道圍巖穩(wěn)定，特進行支護技術研究。

2 巷道支護參數(shù)分析

2.1 支護原則

根據(jù)10-1002 巷的地質資料可知，巷道圍巖較為松軟破碎，且巷道掘進區(qū)域地質構造較多，巷道掘進期間應力環(huán)境較為復雜。根據(jù)10-1001 巷的掘進資料可知，巷道采用錨網(wǎng)索支護時，圍巖變形量較大，且呈現(xiàn)出明顯的非對稱性，圍巖變形主要表現(xiàn)為頂板整體下沉和兩幫煤體向巷道內收斂?；卩徑锏赖淖冃吻闆r，故在進行10-1002 巷道支護方案設計時，支護重點為控制巷道兩幫圍巖的穩(wěn)定。

基于眾多支護理論研究及工程實踐結果可知[1-2]，針對軟弱圍巖進行支護時，首先應采用錨桿與鋼筋網(wǎng)（金屬網(wǎng)）將淺部破碎的圍巖體連接成一個整體，形成淺部圍巖體的基礎承載結構，再進一步通過高預應力錨索將淺部圍巖與深部穩(wěn)定巖層連接為一個整體，充分發(fā)揮深部圍巖自身的承載能力，同時高預應力錨桿也可對淺部破碎圍巖基礎承載結構中的薄弱部位進行補強，以充分保證頂板巖層穩(wěn)定。根據(jù)10#煤層結構復雜、節(jié)理裂隙發(fā)育的特征，并結合巷道兩幫變形不均勻的情況可知，巷道左幫變形量明顯大于右?guī)?，故在進行支護方案設計時應增強巷道左幫的支護強度，確保巷道頂板與兩幫支護結構可形成協(xié)調支護[3-4]，保障巷道圍巖的整體穩(wěn)定。

2.2 支護參數(shù)設計

根據(jù)上述支護原則，結合巷道的地質條件，為提升巷道右?guī)偷闹ёo強度，結合國內外眾多工程實踐[5]，初步確定巷道左幫采用普通左旋螺紋鋼錨桿，右?guī)筒捎米怨ュ^桿。自攻錨桿結構特征如圖1，其主要通過桿體上的旋絲與煤巖體之間形成多點接觸，實現(xiàn)將錨桿上的預應力更為有效、均勻地擴散至圍巖內。采用自攻錨桿支護時，在巷道圍巖產(chǎn)生一定變形后，桿體受到的擠壓應力會不斷增大，進而進一步增強桿體與煤巖體的接觸，桿體與煤巖體間的摩擦阻力也隨著逐漸增大，進而實現(xiàn)阻止圍巖進一步變形的目的[6-7]。

圖1 自攻錨桿結構示意圖

基于礦井鄰近巷道的支護方案及自攻錨桿的特征，為確定巷道的合理支護方案，現(xiàn)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行支護方案的設計。設計三組支護方案進行對比分析，具體三種模擬方案的支護參數(shù)如下：

（1）方案一：巷道采用普通錨網(wǎng)索支護，頂板采用Φ22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為950 mm×1000 mm；頂板布置2 個錨索，錨索采用高強度低松弛鋼絞線，規(guī)格為Φ21.6 mm×6300 mm，間排距為1500 mm×2000 mm；巷幫頂角和底角錨桿采用與頂板規(guī)格、材質相同的錨桿，幫部煤體部分采用全長自攻錨桿，規(guī)格為Φ22 mm×2500 mm，其余錨桿采用Φ22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿。錨桿與錨索間通過鋼筋梯子梁連接，巷道表面鋪設10#鐵絲編制的金屬網(wǎng)。

（2）方案二：在方案一支護參數(shù)的基礎上，調整頂板錨桿的排距為800 mm，頂板錨索間排距為1500 mm×1600 mm。

（3）方案三：在方案二支護參數(shù)的基礎上，巷道左幫頂角和底角錨桿采用Φ22 mm×2500 mm的全長自攻錨桿，煤體部分錨桿采用規(guī)格為Φ22 mm×3500 mm 的全長自攻錨桿。

根據(jù)數(shù)值模擬結果能夠得出三種不同支護方案下的圍巖變形量及巷道不均變形系數(shù)，具體對比分析如下：

（1）圍巖變形量。巷道在三種支護方案下圍巖變形量曲線如圖2。

分析圖2 可知，巷道在三種支護方案下，隨著支護強度的增大，圍巖變形量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。巷道在第一種支護方案下圍巖變形量較大，其中頂板下沉量、右?guī)臀灰屏?、左幫位移量最大值分別為210 mm、194 mm 和246 mm，巷道兩幫仍表現(xiàn)為明顯的不均勻變形特征；巷道在采用支護方案二后，巷道圍巖變形量明顯減小，圍巖變形量基本滿足要求，但此時巷道左右兩幫仍呈現(xiàn)出明顯的不對稱變形，左幫最大變形量為175 mm，右?guī)妥畲笞冃瘟繛?38 mm；當巷道采用支護方案三時，圍巖變形量進一步減小，巷道左右兩幫的變形量也基本相同，頂板下沉量及左右兩幫變形量均在150 mm 以內，可保障圍巖的穩(wěn)定。

（2）巷道不均勻變形系數(shù)。根據(jù)數(shù)值模擬結果能夠得出巷道在三種支護方案下的不均勻變形系數(shù)如圖3。

圖3 巷道不均勻變形系數(shù)曲線圖

分析圖3 可知，巷道在采用方案一進行圍巖控制時，最大不均勻變形系數(shù)為4.1，采用方案二進行圍巖控制時，最大不均勻系數(shù)為3.6，采用方案三時最大不均勻系數(shù)僅為2.6。據(jù)此可知巷道由方案一變?yōu)榉桨付ёo時，圍巖變形不均勻系數(shù)降低幅度較小，而巷道由方案二變?yōu)橹ёo方案三時，圍巖不均勻系數(shù)大幅下降，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟烤^為協(xié)調，即巷道的不均勻變形得到了有效控制。

巷道在采用支護方案三時，圍巖變形量得到了有效控制，且巷道的不均勻變形也得到了有效解決，保障了兩幫的均勻變形，實現(xiàn)了巷道內的協(xié)調支護，能夠有效地保障巷道圍巖的穩(wěn)定。

3 支護方案及效果

3.1 支護方案設計

（1）頂板支護。巷道頂板采用Φ22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為950 mm×800 mm，托盤采用鼓形托盤，錨固方式為端頭錨固，預緊扭矩為250 N·m。錨索采用1×7 股鋼絞線，參數(shù)為Φ21.6 mm×6300 mm。每兩排錨桿間布置兩根錨索，錨索間排距為1500 mm×1600 mm，錨桿與錨索之間采用長度為1800 mm 的鋼筋梯子梁連接，10#鐵絲編制的金屬網(wǎng)進行護頂。

（2）兩幫支護。煤柱幫煤體部分錨桿采用Φ22 mm×3500 mm 的全長自攻錨桿，間排距為800 mm×800 mm，幫頂角和幫底角錨桿采用規(guī)格為Φ22 mm×2500 mm 的全長自攻錨桿，錨桿預緊力均為200 N·m，幫頂角和幫底角錨桿與巷幫成15°布置，其余錨桿均垂直于巷幫布置；巷道回采幫中部煤體部分錨桿采用Φ22 mm×2500 mm 的全長自攻錨桿，錨索參數(shù)同煤柱幫，頂角和底角錨桿采用規(guī)格Φ22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿，排距800 mm，預緊扭矩為200 N·m。幫部錨桿采用圓鋼焊接長度為2700 mm 的鋼筋梯子梁連接，金屬網(wǎng)護幫。

具體10-1002 巷道的支護方式示意圖如圖4。

圖4 10-1002 巷道支護斷面示意圖

3.2 效果分析

10-1002 巷道支護方案實施后，通過巷道掘進期間的圍巖變形監(jiān)測分析，能夠得出巷道圍巖變形量隨時間變化的曲線圖如圖5。

分析圖5 可知，隨著巷道掘出時間的增長，巷道圍巖頂?shù)装搴蛢蓭鸵平烤粩嘣龃?。頂?shù)装寮皟蓭妥冃沃饕性谙锏谰虺龊?～30 d 內，當巷道掘出后30 d 后，圍巖變形速率大幅減小，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，最終巷道頂?shù)装寮皟蓭妥畲笞冃瘟糠謩e為169 mm 和195 mm，圍巖變形量較小，支護方案保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖5 巷道圍巖變形量曲線圖

4 結論

根據(jù)10-1002 巷道的地質條件及鄰近巷道支護經(jīng)驗，通過分析巷道條件確定巷道支護重點為控制巷道兩幫圍巖的穩(wěn)定，進一步采用數(shù)值模擬進行支護參數(shù)的設計分析，確定巷道幫部采用全長自攻錨桿，結合巷道特征進行具體支護參數(shù)設計。根據(jù)巷道圍巖變形曲線可知，支護方案保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。