原 彬

(潞安化工集團 常村煤礦，山西 長治 046100)

常村煤礦N3-11工作面傾向長度120 m，走向長度1 500 m，工作面開采3號煤層，煤層厚度5.09～7.20 m，平均厚度為6.19 m，煤層頂?shù)装鍘r層特征如圖1所示。N3-11運輸巷道為N3-11工作面提供運輸和行人服務(wù)，巷道埋深為470 m，巷道所受的側(cè)壓系數(shù)為1.26，水平應(yīng)力為14.82 MPa，巷道處于高應(yīng)力集中區(qū)域。N3-11運輸巷道北部為正在回采作業(yè)的N3-09工作面，N3-09工作面與巷道間的煤柱寬度為30 m，工作面回采期間的采動影響會造成巷道圍巖的變形破壞，即N3-11運輸巷道屬于高應(yīng)力動壓巷道。

N3-11運輸巷道沿煤層底板掘進，斷面為矩形，巷道寬度為5 000 mm，高度為3 400 mm，巷道原來采用錨桿+金屬網(wǎng)支護，錨桿規(guī)格為D22 mm×2 400 mm，頂板錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，兩幫錨桿間排距為950 mm×1 000 mm，采用10號鐵絲編織的金屬網(wǎng)進行護表，錨桿預(yù)緊扭矩為400 N·m。巷道在現(xiàn)有支護方案下，掘進期間圍巖變形量較大，其中頂?shù)装遄畲笠平窟_到780 mm，兩幫最大移近量達到650 mm，無法滿足回采巷道的使用要求?，F(xiàn)為保障N3-11運輸巷道高應(yīng)力動壓巷道圍巖的穩(wěn)定，特進行支護技術(shù)的優(yōu)化研究。

1 巷道支護參數(shù)分析

1.1 巷道破壞影響因素

1) 高應(yīng)力影響：由于巷道埋深為470 m，巷道所處區(qū)域垂直應(yīng)力約為11.75 MPa，側(cè)壓系數(shù)為1.26，水平應(yīng)力為14.82 MPa，巷道區(qū)域高應(yīng)力影響下易使巷道開挖斷面頂板處應(yīng)力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，同時應(yīng)力集中現(xiàn)象也會逐漸向未開挖區(qū)域擴展[1-3]。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r層柱狀

2) 鄰近回采工作面動壓影響:鄰近N3-09工作面正在進行回采作業(yè)，N3-11運輸巷道進行掘進作業(yè)時，在鄰近采動影響下，鄰近工作面采動后覆巖的運動，其側(cè)向支承壓力會造成巷道圍巖變形的進一步加劇。

3) 復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造影響: N3-11運輸巷道區(qū)域斷層和陷落柱較為發(fā)育，構(gòu)造的發(fā)育必定會造成構(gòu)造應(yīng)力的增大，進而使得上覆巖層在擠壓作用下逐漸破碎，進而降低巷道圍巖的承載能力[4]。

4) 原有支護參數(shù)不合理：巷道原有支護方案中僅采用了錨桿支護，且錨桿的預(yù)緊力均普遍較低，無法充分發(fā)揮出錨桿的主動支護作用，巷道原有支護方案的支護強度較低，致使巷道圍巖塑性區(qū)持續(xù)發(fā)育，最終呈現(xiàn)為巷道圍巖出現(xiàn)較大的變形破壞。

1.2 支護參數(shù)模擬分析

N3-11運輸巷道采用原有支護方案時，巷道圍巖持續(xù)變形，圍巖無法達到穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合運輸巷道在原有支護方案下的變形特征及影響圍巖穩(wěn)定的主要因素，確定在巷道原有支護的基礎(chǔ)上補設(shè)頂板錨索，并調(diào)整錨桿的打設(shè)角度，提升原有錨桿的預(yù)緊扭矩，錨索支護時也采用高預(yù)緊力原則，以此充分改善巷道圍巖的變形破壞情況。

根據(jù)N3-11運輸巷道的地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立長×寬×高=350 m×100 m×91 m的數(shù)值模型，模型上部施加等效垂直應(yīng)力荷載，模型兩側(cè)限制左右位移，固定底部位移，在巷道掘進區(qū)域采用加密網(wǎng)格以提高計算結(jié)果可靠性[5-6]。數(shù)值模擬時，先進行初始地應(yīng)力平衡，隨后進行N3-09工作面的回采和N3-11運輸巷的掘進作業(yè)，模型力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬力學(xué)模型

為模擬得出巷道合理的支護方案，設(shè)置5種模擬方案。其中方案一為巷道原有支護方案，剩余4種模擬方案主要對比分析錨索間排距的布置。模擬時巷道錨桿均采用D22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，預(yù)緊扭矩為400 N·m，頂部布置6根錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，幫部錨桿間排距為950 mm×900 mm，頂角和幫角錨桿分別與頂板和巷幫成10°布置；錨索型號為D22 mm×7 300 mm的1×7股鋼絞線，錨索預(yù)緊力為250 kN，具體不同模擬方案下錨索布置形式如表1所示。

表1 數(shù)值模擬方案錨索布置形式

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果繪制巷道在5種支護方案下的頂板、煤柱幫、實體煤幫表面位移曲線見圖3。

圖3 不同支護方案下圍巖變形曲線

分析圖3(a)可知，隨著頂板錨索布置個數(shù)的增多，巷道掘進期間的頂板下沉量逐漸減小，5種支護方案下頂板的最大下沉量分別為180 mm、120 mm、108.8 mm、90 mm和70 mm。據(jù)此可知，巷道由支護方案三變化為方案四時，頂板下沉量的降低幅度較大，而支護方案由方案四變?yōu)榉桨肝鍟r，頂板下沉量的降低幅度大幅減小，支護強度的增大對頂板穩(wěn)定性的影響逐漸減小。

分析圖3(b)和圖3(c)可知，隨著頂板錨索布置個數(shù)的增多，煤柱幫和實體煤幫的變形量均逐漸減小，這表明頂板補設(shè)的錨桿、錨索起到了相應(yīng)的支護作用。同樣從曲線圖中能夠看出，方案四和方案五對實體煤幫和煤柱幫的支護效果相較于方案一、二和三更為顯著，實體煤幫和煤柱幫的變形量均較小。

基于上述模擬結(jié)果，在保障巷道圍巖穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，考慮巷道的掘進速度和經(jīng)濟性，初步選定方案四。為驗證方案四的合理性，進行N3-11工作面回采期間運輸巷道垂直應(yīng)力分布情況的分析，根據(jù)模擬結(jié)果得出巷道距工作面70 m、50 m、30 m、10 m時垂直應(yīng)力分布云圖，如圖4所示。

圖4 巷道距工作面不同距離時垂直應(yīng)力分布云圖

分析圖4可知，隨著工作面回采的進行，巷道圍巖垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，圍巖垂直應(yīng)力出現(xiàn)在距工作面10 m的位置處，此時垂直應(yīng)力的最大值為25 MPa。另外根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道距工作面50 m時，巷道開始受到采動應(yīng)力的影響，圍巖頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟块_始逐漸增大，當(dāng)工作面回采至距巷道測點10 m時，圍巖變形相對較大，最大變形量為400 mm，滿足回采巷道的使用要求。據(jù)此確定巷道最終的支護方案為方案四。

2 圍巖控制技術(shù)

2.1 支護方案

根據(jù)上述N3-11運輸巷道圍巖變形的主要影響因素，結(jié)合支護參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果，確定巷道采用錨網(wǎng)索支護，布置形式采用方案四，具體支護參數(shù)如下：

1) 頂板支護：錨桿采用高強螺紋鋼錨桿，規(guī)格為D22 mm×2 400 mm，間排距為900 mm×1 000 mm，配套采用高強拱形托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm，錨桿采用樹脂加長錨固，兩頂角錨桿與頂板呈10°布置，其余錨桿均垂直頂板布置，錨桿間采用鋼筋梯子梁連接，梯子梁長度為5 000 mm，錨桿預(yù)緊扭矩為400 N·m；錨索采用1×7股鋼絞線，規(guī)格為D22 mm×7 300 mm，間排距為2 200 mm×1 000 mm，配套采用高強托盤，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，錨索預(yù)緊力為250 kN，采用10號鐵絲編制的金屬網(wǎng)進行護表。

2) 兩幫支護：錨桿規(guī)格、型號、預(yù)緊扭矩及錨固形式等均同頂板錨桿，錨桿間排距為950 mm×1 000 mm，幫部同樣采用鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)配合錨桿支護，梯子梁長度為3 150 mm，金屬網(wǎng)長×寬=3 150 mm×1 000 mm。

具體N3-11運輸巷道優(yōu)化的支護方案如圖5所示。

圖5 N3-11運輸巷道支護斷面(mm)

2.2 效果分析

N3-11運輸巷道和N3-11工作面回采期間分別進行巷道圍巖變形量的監(jiān)測分析，掘巷期間在滯后掘進迎頭10 m的位置處設(shè)置測點，工作面回采期間在超前工作面60 m位置處設(shè)置測點，采用十字布點法，通過現(xiàn)場觀測得出巷道圍巖變形曲線如圖6所示。

圖6 圍巖變形曲線

分析圖6可知，N3-11運輸巷道在現(xiàn)有支護方案下，巷道掘出35 d后，圍巖基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装寮皟蓭鸵平炕静辉僮兓罱K掘巷期間頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟康淖畲笾捣謩e為305 mm和278 mm。本工作面回采期間，運輸巷道變形主要出現(xiàn)在超前工作面0～30 m的范圍內(nèi)，頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟孔畲笾禐?81 mm和579 mm，滿足回采巷道使用要求。

3 結(jié) 語

基于N3-11運輸巷道在原有支護方案下的變形情況，通過分析影響巷道圍巖穩(wěn)定的主要因素，并進行錨索布置形式的數(shù)值模擬分析，確定優(yōu)化巷道采用錨網(wǎng)索支護，結(jié)合模擬結(jié)果和地質(zhì)條件進行支護參數(shù)設(shè)計，根據(jù)優(yōu)化后支護效果分析可知，優(yōu)化后的支護方案保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。