郭建東

（山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203）

1 工程概況

西山煤電鎮(zhèn)城底礦位于古交市西北，生產(chǎn)能力為190 萬t/a，礦井屬于高瓦斯礦井。22212 工作面決定采取開掘底板巷道抽取上方煤層瓦斯的防治措施。底抽巷布置在距煤層約11.5 m 的泥巖巖層內(nèi)，二盤區(qū)布置兩條平行的開拓巷道：膠帶運(yùn)輸巷和瓦斯措施巷，工作面內(nèi)的底抽巷內(nèi)錯(cuò)工作面回風(fēng)順槽15 m 布置。本文中的底抽巷是指兩條開拓巷道及工作面內(nèi)的底抽巷，巷道位置詳情如圖1。22212工作面井下位于二盤區(qū)，北為底板措施巷、膠帶運(yùn)輸巷，東為22602 工作面（已采），南為礦界，其余為未采區(qū)。22212 工作面所采煤層為2.3#煤，煤層穩(wěn)定，煤層厚度平均為2.82 m，結(jié)構(gòu)為：1.63（0.47）0.72。煤層整體呈一復(fù)式背斜構(gòu)造，S1 背斜軸向?yàn)?46°，S2 向斜軸向?yàn)?67°，S3 背斜軸向?yàn)?74°，S4 向斜軸向?yàn)?7°，煤巖層傾角為1°～15°，平均8°。2.3#開采煤層的煤層瓦斯原始含量最大為6.69 m3/t。

圖1 底抽巷位置詳圖

2 底抽巷原有支護(hù)方案及圍巖破壞特征

2.1 底抽巷原支護(hù)方案

用于22212 工作面瓦斯預(yù)抽的兩條開拓巷道及專用底抽巷布置層位、巷道斷面均相同，設(shè)計(jì)采用相同的支護(hù)方式，采用直墻半圓拱斷面，掘進(jìn)寬度5.22 m，高度4.16 m，直墻部分高度1.5 m。一次支護(hù)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)：噴漿（C25 混凝土）厚度約50 mm；錨桿規(guī)格Ф20 mm×2000 mm，間排距0.8 m，起拱線下間距0.7 m；錨索規(guī)格為Ф21.6 mm×6000 mm 鋼絞線，間距1.6 m，排距0.8 m，每排5 根。一次支護(hù)完成后，巷道高度約為4.01 m，寬度約4.92 m。二次支護(hù)形式：12#工字鋼棚+復(fù)噴（采用C25混凝土，厚度約160 mm），工字鋼間距0.6 mm。二次支護(hù)完成后，巷道凈高約為3.85 m，凈寬4.6 m。

2.2 底抽巷圍巖破壞特征

22212 工作面底抽巷首先進(jìn)行了膠帶運(yùn)輸巷、底板措施巷的施工，成巷約30 d 后，兩條巷道均出現(xiàn)了較明顯的變形，頂板變形明顯大于兩幫變形，頂板下沉量最大可達(dá)到800～1000 mm。為掌握巷道圍巖內(nèi)的巖層破壞情況，在兩條底抽巷內(nèi)進(jìn)行了頂板窺視試驗(yàn)，底板措施巷測點(diǎn)布置在通尺320 m 處，有效觀測深度為6.0 m，膠帶運(yùn)輸巷測點(diǎn)布置在通尺370 m 處，有效觀測深度為4.9 m。整理得到窺視結(jié)果如圖2。

由圖2 所示的窺視結(jié)果可以看出，底抽巷底板巖性主要以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，頂板巖層淺部出現(xiàn)明顯的破碎帶，破碎帶寬度為0～0.5 m，主要集中在0～1 m 深度范圍內(nèi)，深度1～2 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)寬度不等的裂隙帶，深度2 m 以上的位置出現(xiàn)少量裂隙。根據(jù)底抽巷頂板巖層窺視結(jié)果，結(jié)合巷道表面的變形破壞情況可得出，膠帶運(yùn)輸巷和底板措施巷在成巷后，在高地應(yīng)力和卸荷效應(yīng)的作用下，頂板淺部約2 m 范圍內(nèi)圍巖產(chǎn)生大量的裂隙、離層，頂板錨桿未錨固在長期穩(wěn)定巖層內(nèi)，導(dǎo)致巷道表面出現(xiàn)大量的網(wǎng)兜。由于支護(hù)結(jié)構(gòu)與頂板下沉變形不協(xié)調(diào)，裂隙、離層持續(xù)拓展、發(fā)育。觀測期間，裂隙最大發(fā)育深度已達(dá)到3.7 m，導(dǎo)致巷道頂板網(wǎng)兜現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力愈來愈大，從而引發(fā)冒頂、支護(hù)結(jié)構(gòu)失效等事故。

圖2 頂板鉆孔窺視結(jié)果

3 底抽巷支護(hù)方案模擬研究

為研究各支護(hù)參數(shù)對巷道圍巖塑性破壞的影響，采用FLAC3D進(jìn)行模擬研究[1]。模型長×寬×高=500 m×320 m×200 m，底抽巷布置在煤層下方11.5 m 的泥巖巖層內(nèi)，底抽巷為半圓拱型斷面，寬5.0 m，高4.0 m，開挖長度300 m，回采工作面長度160 m，模型初始應(yīng)力條件szz=15.25 MPa。工作面采用分步開挖、滯后充填的方式，采用cable 單元模擬錨桿、錨索。設(shè)計(jì)有6 種支護(hù)方案。

方案A：無支護(hù)。

方案B：采用長度2.4 m 的錨桿支護(hù)，錨桿布置方式與原支護(hù)方案相同。頂板支護(hù)阻力為0.19 MPa，兩幫支護(hù)阻力0.24 MPa。

方案C：采用長度2.4 m 的錨桿、6.0 m 的錨索支護(hù)，錨桿、錨索布置方式與原支護(hù)方案相同。頂板支護(hù)阻力0.48 MPa，兩幫支護(hù)阻力0.24 MPa。

方案D：在方案C 基礎(chǔ)上，每排增加4 根頂錨索、2 根幫錨索。頂板支護(hù)阻力0.70 MPa，兩幫支護(hù)阻力0.64 MPa。

方案E：錨桿、錨索布置方式與方案C 相同，僅將頂板、兩幫錨索強(qiáng)度增大5 倍。頂板支護(hù)阻力3.33 MPa，兩幫支護(hù)阻力4.24 MPa。

方案F：在方案D基礎(chǔ)上，將錨索強(qiáng)度增大10倍。頂板支護(hù)阻力6.47 MPa，兩幫支護(hù)阻力8.24 MPa。所有支護(hù)方案中錨桿預(yù)緊力設(shè)置為170 kN，錨索預(yù)緊力設(shè)置為560 kN。

不同支護(hù)條件下，底抽巷圍巖塑性破壞情況如圖3。

圖3 不同支護(hù)參數(shù)調(diào)節(jié)下圍巖塑性破壞特征

由圖3 所示結(jié)果可以看出，無支護(hù)條件下，頂板最大塑性破壞深度為2.3 m，兩幫最大破壞深度為1.5 m。采用錨桿支護(hù)后，巷道圍巖塑性破壞深度僅有微小的變化，頂板錨桿范圍內(nèi)巖體均塑性破壞，支護(hù)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。當(dāng)設(shè)計(jì)采用錨索支護(hù)后，巷道圍巖塑性破壞深度出現(xiàn)少量的減小，但錨索能夠起到將頂板懸吊在穩(wěn)定巖層中的作用。采用方案D增加錨索的密度后，巷道圍巖的塑性破壞范圍仍然僅有微小的減小。方案E 提高錨索支護(hù)強(qiáng)度后，顯著增大頂板和兩幫的支護(hù)阻力，頂板、兩幫圍巖塑性破壞深度出現(xiàn)顯著的減小，頂板塑性破壞深度相對于支護(hù)方案C（原支護(hù)方案）減小了0.5 m 左右，兩幫塑性破壞深度減小0.5～1.0 m，圍巖穩(wěn)定性顯著增加。錨索支護(hù)強(qiáng)度繼續(xù)增大時(shí)，巷道圍巖塑性破壞深度繼續(xù)減小。綜上可知，鎮(zhèn)城底礦底抽巷在高地應(yīng)力環(huán)境下，巷道圍巖塑性破壞范圍呈現(xiàn)橢圓形，頂板巖層破壞深度大于兩幫。通過增加錨桿長度、錨索的布置密度，并不能顯著減小圍巖的塑性破壞范圍，而提高錨桿、錨索的支護(hù)強(qiáng)度，能夠有效減小圍巖的塑性破壞范圍，提高巷道整體穩(wěn)定性。

4 底抽巷支護(hù)方案及現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)

4.1 底抽巷支護(hù)方案

結(jié)合以上研究結(jié)果，可總結(jié)底抽巷原支護(hù)方案存在的主要問題：現(xiàn)有錨桿錨固深度有限，不能有效錨固在長期穩(wěn)定巖層，易錨固失效，錨索、錨桿支護(hù)系統(tǒng)不匹配，頂板淺部巖體與上覆穩(wěn)定巖層離層量逐漸增大，錨索延展量有限，存在拉斷失效、巷道圍巖整體失穩(wěn)破壞的危險(xiǎn)。高應(yīng)力環(huán)境下，底抽巷支護(hù)材料應(yīng)具備以下特點(diǎn)[2]：（1）錨固深度大于2.0 m；（2）強(qiáng)度較高，能夠長期穩(wěn)定地懸吊頂板巖層；（3）更好的延展性，可允許圍巖出現(xiàn)較大的變形而不支護(hù)失效?；谝陨咸攸c(diǎn)，查閱相關(guān)的研究文獻(xiàn)[3-4]，決定選用中國礦業(yè)大學(xué)馬念杰教授研發(fā)的可接長錨桿。錨桿結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示。該錨桿最大延展率可達(dá)到17%。

底抽巷優(yōu)化支護(hù)方案：一次支護(hù)采用錨桿+加長錨桿+鋼筋網(wǎng)+素噴混凝土支護(hù)方式。頂板、兩幫錨桿規(guī)格與原支護(hù)方案相同，錨固力不小于70 kN，螺帽扭矩不小于150 N·m，間排距均為0.8 m，中間布置三根可接長錨桿，錨桿長度5.0 m，端部錨固長度不小于1.5 m，錨固力不小于150 kN，螺帽扭矩不小于240 N·m。二次支護(hù)方案不變，二次支護(hù)在一次支護(hù)后約60 d 進(jìn)行。支護(hù)詳情如圖4。

圖4 底抽巷優(yōu)化支護(hù)方案

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)

22212 專用底抽巷掘進(jìn)通尺T335～T365 m 之間采用上述支護(hù)方案，一次支護(hù)完成后，監(jiān)測巷道表面變形量，測點(diǎn)布置在通尺350 m 處，整理得到頂?shù)装?、兩幫移近量變化曲線如圖5。掘巷20 d 內(nèi)，巷道表面位移量緩慢地增大；掘巷20～60 d 內(nèi)，表面變形量增速較大；60 d 左右進(jìn)行二次支護(hù)后，巷道表面位移量增速基本為零。為期120 d 的監(jiān)測時(shí)限內(nèi)，頂?shù)装遄畲笠平繛?28 mm，兩幫最大移近量為87 mm，巷道表面變形量較小，支護(hù)效果良好。

圖5 22212 工作面專用底抽巷圍巖變形監(jiān)測

5 結(jié)論

22212 工作面底抽巷掘進(jìn)初期所采取的支護(hù)方案未有效控制圍巖變形，存在錨桿錨固范圍較小、支護(hù)系統(tǒng)與圍巖不協(xié)調(diào)等問題。數(shù)值模擬研究表明，提高支護(hù)阻力能夠顯著減小圍巖的塑性破壞范圍，提高圍巖穩(wěn)定性。根據(jù)底抽巷圍巖破壞特征，提出采用加長錨桿代替錨索，并通過增大錨桿、錨索預(yù)緊力提高支護(hù)阻力?，F(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的支護(hù)方案有效控制巷道表面的變形，能夠滿足為工作面安全生產(chǎn)服務(wù)的要求。