郭學亮

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團有限責任公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

1 工程概況

山西鄉(xiāng)寧臺頭煤礦3206 工作面位于二采區(qū)回風下山北側，工作面南部為三采區(qū)巷道，北部為三采區(qū)邊界，東部為正在回采的3204 工作面，西部為實體煤，如圖1。工作面開采山西組下部2#煤層，煤層厚度為1.68～3.65 m，煤層平均厚度為2.7 m，平均傾角為10°。煤層頂板巖層為砂質(zhì)泥巖和砂巖，底板巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖。3206 工作面回風巷沿2#煤層頂板掘進，初始設計巷道掘進斷面為矩形，掘進寬×高=4500 mm×3600 mm。由于礦井采掘接替緊張，3206 巷道掘進期間，鄰近3204 工作面正在進行回采作業(yè)，即巷道掘進會受到鄰近工作面的采動影響。為保障回風動壓巷道掘進期間的穩(wěn)定，特進行巷道圍巖應力及支護方案的研究分析。

2 采動影響下圍巖應力分析

由于3206 工作面回風巷掘進期間鄰近3204 工作面在進行回采作業(yè)，工作面回采方向與掘進方向為對向，巷道掘進時可劃分為三階段，分別為：實體煤掘進階段、采動影響階段和沿煤柱掘巷階段。巷道圍巖支護較為困難的階段為采動影響階段，為保障巷道整體的支護效果，特分析此階段巷道的圍巖應力分布規(guī)律。因圍巖應力環(huán)境較為復雜，采用理論分析得出的結果對指導現(xiàn)場生產(chǎn)意義較小[1-2]，故采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行動壓巷道圍巖應力的分析。

根據(jù)巷道具體的地質(zhì)條件，結合3204 工作面和回風巷的設計參數(shù)， 建立模型長×寬×高=200 m×300 m×75 m，設置開采煤層厚度為2.5 m，傾角為10°，模型中工作面長度為300 m，模型兩側邊限制水平位移，底板限制垂直方向的位移，頂板根據(jù)巷道埋深為650 m，施加等效均布荷載為16.25 MPa[3]，模型中各巖層的物理力學參數(shù)根據(jù)地質(zhì)條件進行賦值。具體建立的數(shù)值模型如圖2。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

根據(jù)數(shù)值模擬結果可知，當工作面回采80 m時，巷道掘進30 m。為分析工作面回采對鄰近圍巖的影響，通過在模型后方布置測線能夠得出側向支承應力和側向應力分布情況如圖3。

分析圖3 可知，鄰近3204 工作面回采后，采空區(qū)側向支承壓力出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最后側向支承壓力趨近于原巖應力。從圖中能夠看出工作面回采后側向支承壓力的峰值達到32.34 MPa，應力集中系數(shù)達到2，側向支承應力的峰值出現(xiàn)在距離煤壁12 m 的位置處；結合側向支承壓力分布云圖和支承壓力曲線分析，能夠大致得出工作面回采導致側向煤體的破碎區(qū)面積小于12 m，即表明側向塑性區(qū)的范圍在12 m 內(nèi)，而側向彈性核區(qū)的范圍約為20 m，工作面回采對側向煤體總體的影響范圍在50～60 m 內(nèi)。3206 回風巷掘進期間，為利于巷道圍巖控制，應盡量將巷道布置在彈性核區(qū)內(nèi)[4-5]，即區(qū)段煤柱的留設寬度應≥20 m。

圖3 工作面回采后側向支承壓力分布圖

在工作面回采150 m 后，在工作面一處位置向工作面推進方向布置測線，對工作面的超前支承壓力分布云圖和分布曲線進行出圖分析，具體云圖和曲線圖如圖4。

圖4 超前支承壓力分布圖

分析圖4 可知，3204 工作面回采期間，工作面超前支承壓力呈現(xiàn)出增大后降低，最后趨于原巖應力的趨勢。工作面超前支承壓力峰值出現(xiàn)在工作面前方19 m 的位置處，支承壓力峰值為19.07 MPa，應力集中系數(shù)達到1.2；在超前工作面50 m 后，工作面前方圍巖支承壓力基本達到原巖應力狀態(tài)，為16.08 MPa。據(jù)此可知，3204 工作面回采期間超前支承壓力的影響范圍為50 m 左右，即在3206 回風巷掘進至與工作面相距50 m 時，隨著工作面回采和巷道掘進，圍巖應力會逐漸增大，圍巖受到采動影響的程度會不斷增強，需要對巷道進行加強支護，以充分保障圍巖穩(wěn)定。

綜合上述分析，結合3204 工作面與3206 工作面間的位置關系及礦井生產(chǎn)經(jīng)驗，確定3206 回風巷區(qū)段煤柱寬度為20 m，巷道與工作面間距離≤50 m，此時應加強巷道圍巖穩(wěn)定性的控制。

3 支護方案及效果

3.1 支護方案

根據(jù)3206 工作面回風巷的具體地質(zhì)條件，結合鄰近3204 工作面回采巷道的生產(chǎn)經(jīng)驗可知，若巷道采用矩形斷面，由于煤層具有一定的傾角，巷道沿煤層頂板掘進時會存在破頂或丟煤的現(xiàn)場出現(xiàn)，巷道頂板巖性不統(tǒng)一，不利于巷道圍巖的控制。且基于生產(chǎn)經(jīng)驗可知，巷道采用矩形斷面，采用錨網(wǎng)索支護時，巷道兩幫會出現(xiàn)錨網(wǎng)鼓起、鋼帶彎折較大的現(xiàn)象，普遍呈現(xiàn)出支護強度低、支護效果差的特征。

綜合上述分析，確定優(yōu)化3206 工作面回風巷斷面為梯形，巷道掘進寬度×高度=4500 mm×3000 mm，巷道斷面面積為14.1 m2，巷道采用錨網(wǎng)索+M 型鋼帶+鋼梁聯(lián)合支護，具體支護方案如下：

（1）頂板支護。錨桿規(guī)格型號為MSGLW-335/Φ22 mm×2500 mm，錨桿間排距為800 mm×800 mm，巷道每排布置6 根錨桿，其中頂角錨桿與幫部的間距為100 mm，兩幫角錨桿與頂板成15°打設，其余錨桿均垂直于頂板布置，錨桿預緊扭矩為300 N·m。巷道表面采用金屬網(wǎng)片進行護頂，錨桿間通過M 型鋼帶進行連接，M 型鋼帶壓在金屬網(wǎng)片上。頂板錨索規(guī)格型號SKP18-1/Φ21.6 mm×6800 mm，錨索每排布置4 根，排距為800 mm，錨索均垂直于巷道頂板施工，每排的4 根錨索均支護在14#b 型的槽鋼上，錨索托盤放在槽鋼凹面中，槽鋼平面與錨網(wǎng)進行接觸，錨索預緊力為150 kN。

（2）兩幫支護。幫部錨桿規(guī)格型號、錨固方式均同頂板，錨桿排距同樣為800 mm。其中巷道低幫每排布置5 根錨桿，錨桿間距為700 mm，兩幫角錨桿分別與頂板和底板呈15°布置；高幫每排布置6 根錨桿，兩幫角錨桿與頂板分別相距100 mm，錨桿間距為800 mm；頂幫角和底幫角錨桿分別與頂板和底板相距100 mm，與頂板和底板分別成15°布置，其余錨桿均垂直于巷幫；巷道高幫和低幫錨桿均配合金屬網(wǎng)和M 型鋼帶進行支護，錨桿預緊力矩為300 N·m。巷幫錨索采用1×7 股高強度鋼絞線，規(guī)格型號為SKP18-1/Φ17.8 mm×4500 mm，幫錨索排距為800 mm。低幫每排布置3 根錨索，中部兩根錨索間距為1050 mm，其中上部和下部錨索分別上仰和下扎25°；高幫每排布置4 根錨索，中部兩根錨索間距為1714 mm，兩幫角錨索布置同低幫。幫部錨索預緊力為100 kN，錨索間同樣通過槽鋼進行連接。

具體3206 工作面回風巷支護布置如圖5。

圖5 3206 工作面回風巷支護布置示意圖（mm）

3.2 效果分析

為分析巷道圍巖變形特征，在巷道掘進期間設置圍巖變形量監(jiān)測點，采用十字布點法進行變形數(shù)據(jù)的測量分析。巷道每間隔50 m 布置一組監(jiān)測站，測站持續(xù)進行監(jiān)測分析。根據(jù)巷道內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，回風巷掘進至550 m 時受到3204 工作面的采動影響較大，在巷道掘進650 m 后回風巷基本處于穩(wěn)定區(qū)域。具體這兩處區(qū)域與工作面間的位置關系如圖6。

圖6 巷道測站與工作面間位置關系圖

根據(jù)巷道圍巖變形量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠得出巷道在動壓影響階段和應力穩(wěn)定階段的圍巖變形曲線如圖7。

圖7 動壓巷道掘進期間圍巖變形曲線圖

由圖7（a）可知，由于此時巷道圍壓受工作面采動影響較大，巷道的整體變形量相對較大，巷道圍巖變形速率在掘出5 d 后達到最大值，頂?shù)装搴蛢蓭妥冃嗡俾实淖畲笾捣謩e為80 mm/d 和67 mm/d，巷道掘出20 d 后，圍巖達到穩(wěn)定狀態(tài)，最終頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟康淖畲笾捣謩e為364 mm 和237 mm。分析圖7（b）可知，巷道在應力穩(wěn)定階段掘進時，巷道與工作面相距100 m，圍巖變形速率最大值同樣出現(xiàn)在巷道掘出5 d 后，巷道在掘出20 d 后圍壓達到穩(wěn)定狀態(tài)，最終頂?shù)装搴蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為214 mm 和148 mm。

綜合上述分析可知，動壓影響階段巷道圍巖的變形量相較于應力穩(wěn)定階段變形速率和變形量均大幅升高，但巷道總體變形量仍處于合理范圍內(nèi)，滿足回采巷道的使用要求。

4 結論

根據(jù)3206 回風巷掘進和3204 工作面回采間具體情況，通過分析3204 工作面?zhèn)认蛑С袎毫统爸С袎毫Ψ植家?guī)律，確定區(qū)段煤柱寬度為20 m，巷道與工作面距離小于50 m 后，應加強圍巖控制?；跀?shù)值模擬結果設計巷道采用錨網(wǎng)索+M 型鋼帶+鋼梁聯(lián)合支護。根據(jù)圍巖觀測結果可知，現(xiàn)有支護方案保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。