孫 磊 梁立博 韓應(yīng)偉

（濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)花園井田資源開發(fā)有限公司，山東 濟(jì)寧 272200）

1 工程概況

1.1 概況

濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)花園煤礦4308 工作面開采3#煤層，煤層平均厚度2.48 m，平均傾角8°。煤層巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖為主，泥巖厚度2.40 m，砂質(zhì)泥巖厚度16.50 m，細(xì)砂巖厚度2.30 m。

1.2 巷道原支護(hù)方式

4308 軌道順槽為矩形斷面，凈寬4400 mm、凈高3000 mm，原永久支護(hù)為錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)。

頂板支護(hù)：采用Φ22 mm×2200 mm 高強(qiáng)錨桿，間排距800 mm×800 mm；頂板鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格：50 mm×50 mm；頂板每排使用1 片M 鋼帶，眼距830 mm；頂板每排打設(shè)3 排錨索梁，錨索規(guī)格為Φ21.6 mm×6300 mm，錨索托盤采用鋼板加工，規(guī)格為240 mm×120 mm×12 mm。

幫部支護(hù)：采用Φ22 mm×2200 mm 高強(qiáng)錨桿配合M 鋼帶，排距為800 mm，鋪設(shè)小眼點焊鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格：50 mm×50 mm。

1.3 問題分析

4308 軌道順槽局部地段底鼓突出，兩幫移近量大，巷道部分錨桿、錨索破斷，斷面收縮明顯，多數(shù)地段還要割底、架棚，巷道維修困難，影響工程進(jìn)度。根據(jù)4308 軌道順槽厚泥巖頂板實況，采用FLAC5.0 數(shù)值計算軟件模擬分析巷道圍巖內(nèi)部位移矢量、應(yīng)力分布特征及錨桿支護(hù)對圍巖力學(xué)參數(shù)性能的改變，分析影響深部開采煤體巷道圍巖大變形的主要因素，提出解決巷道厚泥巖頂板的支護(hù)方案。

2 厚泥巖巷道梯次支護(hù)技術(shù)原理

2.1 厚泥巖巷道梯次支護(hù)原理

厚泥巖巷道梯次支護(hù)技術(shù)如圖1。一階支護(hù)為巷道頂板分層支護(hù)；二階支護(hù)為采用短錨索支護(hù)，控制頂板中下部軟弱煤巖；三階支護(hù)為采用長錨索對已形成的二階錨固承載體向頂板上部深層煤巖體實施整體組合錨固。

圖1 梯次支護(hù)技術(shù)原理示意圖

2.2 “類剛性梁”結(jié)構(gòu)生成

巷道梯次支護(hù)即為將巷道淺部支護(hù)與深部支護(hù)技術(shù)相結(jié)合的支護(hù)手段，通過短錨桿、長錨桿、錨索等支護(hù)形式，將圍巖離層軟巖錨固，形成一定強(qiáng)度整體圍巖，達(dá)到抵抗圍巖變形的目的。將頂板錨固在一起形成的結(jié)構(gòu)，稱為“類剛性梁”結(jié)構(gòu)，如圖2。

圖2 “類剛性梁”結(jié)構(gòu)示意圖

3 巷道圍巖控制方案及參數(shù)設(shè)計

3.1 模型建立

數(shù)據(jù)模擬基于4308 軌道順槽開挖后所處巖層層位，采用FLAC5.0 模擬分析該位置處于原支護(hù)條件運輸巷道圍巖應(yīng)力分布和礦壓顯現(xiàn)特征。

3.2 原支護(hù)方案模擬分析

4308 軌道順槽原支護(hù)方案模擬結(jié)果表明：采用原支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)后，頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右?guī)鸵平糠謩e為435 mm、658 mm、839 mm、732 mm。原支護(hù)方式對巷道圍巖控制效果較差，垂直位移量較小，底鼓量較頂板下沉量大很多，斷面面積從14.18 m2變形為6.18 m2，斷面收縮56%，屬于大變形，需優(yōu)化調(diào)整。

3.3 優(yōu)化支護(hù)方案及模擬分析

3.3.1 優(yōu)化支護(hù)方案

根據(jù)4308 軌道順槽實況及原支護(hù)方案效果，擬采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案[1-2]。錨桿選取3種 不 同 規(guī) 格Φ22 mm×（2200 mm、2500 mm、2800 mm）進(jìn)行模擬比選，錨索選取3 種不同規(guī)格Φ21.6 mm×（6300 mm、8300 mm、9300 mm）進(jìn)行模擬比選，錨桿間排距選取3 種不同規(guī)格（800 mm×800 mm、700 mm×700 mm、600 mm×600 mm）進(jìn)行模擬比選，單因素方法。

3.3.2 錨桿模擬分析

錨桿3 種不同規(guī)格Φ22 mm×（2200 mm、2500 mm、2800 mm）模擬比選結(jié)果表明：對比2200 mm 長度錨桿，2500 mm 和2800 mm 長度錨桿對增加圍巖強(qiáng)度以及改善圍巖峰后強(qiáng)度有較好的效果，其應(yīng)力集中向四周轉(zhuǎn)移。此時，主要是以塑性變形為主，隨著塑性區(qū)的發(fā)展，圍巖仍會發(fā)生碎脹變形，盡管較長錨桿可增加錨固長度，但效果不佳，沒能調(diào)動深部穩(wěn)定的巖體作用，頂板及兩幫出現(xiàn)不同程度的變形，底板為弱面，沒采取任何措施，底鼓量還是很大，仍需要輔助其他支護(hù)方式。綜合經(jīng)濟(jì)因素，確定采用2500 mm 錨桿。

3.3.3 錨索模擬分析

巷道斷面在采取長錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。頂板施加3 根預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，兩幫分別施加1 根預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索。錨索3 種不同 規(guī) 格Φ21.6 mm×（6300 mm、8300 mm、9300 mm）模擬比選結(jié)果表明：施加錨索支護(hù)后，剪應(yīng)力向巷道深部圍巖延伸，應(yīng)力集中程度減小，巷道變形量減小；長度為8300 mm 和9300 mm 錨索的支護(hù)效果要好于長度為6300 mm 錨索，而長度為8300 mm 和9300 mm 錨索兩者之間的支護(hù)效果相差較小。綜合經(jīng)濟(jì)因素，確定采用8300 mm 錨索。

依據(jù)梯次支護(hù)技術(shù)的基本原理，在巷道頂板巖層中形成一定厚度的具有組合錨固效應(yīng)的階梯式立體支護(hù)結(jié)構(gòu)，控制頂板圍巖變形，使錨索達(dá)到耦合支護(hù)的效果，配合6.3 m 錨索強(qiáng)化錨固承載結(jié)構(gòu)。

3.3.4 間排距模擬分析

錨桿間排距3 種不同規(guī)格（800 mm×800 mm、700 mm×700 mm、600 mm×600 mm），選取錨索間排距為錨桿間排距的2 倍。從模擬應(yīng)力分布數(shù)據(jù)可知，當(dāng)錨桿間排距為700 mm×700 mm 和600 mm×600 mm 時，錨桿對圍巖的支護(hù)效果較好。根據(jù)數(shù)值模擬分析可知，三種不同間排距時4308軌道順槽圍巖位移情況見表1。

表1 4308 軌道順槽不同間排距時圍巖最大位移量情況表

表1 數(shù)據(jù)表明，4308 軌道順槽采用小間排距支護(hù)后，基于支護(hù)密度的增加，巷道圍巖的變形量進(jìn)一步降低，小間排距支護(hù)參數(shù)的應(yīng)用可有效增加巷道圍巖的穩(wěn)定性。當(dāng)間排距為800 mm×800 mm時，其支護(hù)效果基本能滿足要求，在非特殊地質(zhì)段基于經(jīng)濟(jì)效益考慮，采用800 mm×800 mm 間排距即可。

3.4 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)的確定

通過有限元數(shù)值計算及研究分析，確定4308軌道順槽支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)形式。采用Φ22 mm×2500 mm超高強(qiáng)錨桿（屈服強(qiáng)度500 MPa），錨桿間排距800 mm×800 mm；頂板鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格：50 mm×50 mm；頂板每排使用1 片6 眼4.35 m 長的M 鋼帶，眼距800 mm；每根錨桿使用MSK2550樹脂錨固劑（白色，先裝）和MSZ2550樹脂錨固劑（藍(lán)色，后裝）各1 支；頂板錨桿扭矩不小于300 N·m。

頂板沿走向依次布置5 排錨索梁，形成“三二交替布置”?！叭睘殚L錨索，錨索規(guī)格Φ21.6 mm×8300 mm；“二”為短錨索，錨索規(guī)格Φ21.6 mm×6300 mm。錨索梁采用2.0 m 長16#槽鋼梁，兩個眼孔距離為1.6 m，且錨索需加讓壓管。每根錨索使用4 支MSZ250 樹脂錨固劑（藍(lán)色），錨索預(yù)緊力不低于200 kN。頂部錨索必須緊跟掘進(jìn)迎頭施工安裝（下幫的1 組錨索梁除外）。

（2）幫部支護(hù)形式。采用Φ22 mm×2500 mm 超高強(qiáng)錨桿（屈服強(qiáng)度500 MPa），兩幫使用豎向M 鋼帶（1000 mm 長2 眼及1700 mm 長3 眼鋼帶搭配使用，眼距700 mm），錨桿間排距為700 mm×800 mm；鋪設(shè)小眼點焊鋼筋網(wǎng)（網(wǎng)格70 mm×70 mm），每根錨桿使用MSK2550 樹脂錨固劑（白色，先裝）和MSZ2550 樹脂錨固劑（藍(lán)色，后裝）各1 支，幫錨桿螺母扭矩不小于200 N·m。

（3）巷道兩幫均采用橫向錨索梁控制變形。沿巷道走向在兩幫中部各布置1 排錨索梁，“一梁二索”，錨索規(guī)格為Φ21.6 mm×6300 mm，錨索梁采用2.0 m長16#槽鋼加工，兩個眼孔距離為1.6 m，錨索梁托盤為200 mm×120 mm×20 mm；每根錨索使用4 支MSZ2550 樹脂錨固劑（藍(lán)色），錨索預(yù)緊力不低于200 kN，幫部錨索梁滯后掘進(jìn)迎頭不超過20 m。4308 軌道順槽斷面支護(hù)如圖3。

圖3 4308 軌道順槽斷面支護(hù)示意圖

4 巷道圍巖表面位移觀測分析

4308 軌道順槽梯次支護(hù)方案應(yīng)用于巷道250～850 m 處，在梯次支護(hù)方案應(yīng)用段范圍內(nèi)，在巷道300 m、450 m、600 m 處各布置一個測站，兩幫及頂?shù)装逡平拷Y(jié)果如圖4。

圖4 圍巖變形量規(guī)律

由圖4 可知，4308 軌道順槽梯次支護(hù)方案應(yīng)用段頂板下沉量均小于10 mm，支護(hù)效果理想，兩幫移近量小于80 mm，巷道圍巖變形量較小，圍巖穩(wěn)定性較好。

5 效果分析

4308 軌道順槽從2021 年5 月21 日開始至8 月23 日工業(yè)性試驗結(jié)束，掘進(jìn)期間共施工93 d，成巷680 m。4308 軌道順槽應(yīng)用高預(yù)應(yīng)力煤巷錨網(wǎng)索為基礎(chǔ)的梯次支護(hù)技術(shù)，巷道圍巖變形量較小，支護(hù)效果理想。4308 軌道順槽在回采期間受工作面超前支承壓力影響，對比掘進(jìn)期間巷道變形量有明顯增加，但整體來看巷道圍巖沒有出現(xiàn)較大變形量，支護(hù)效果理想，巷道維護(hù)滿足區(qū)段安全開采的要求。