何鵬飛

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 方山 033000）

隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，礦山設(shè)備也在不斷發(fā)展和革新，同步要求礦山支護(hù)控制技術(shù)水平不斷提升，以實(shí)現(xiàn)最佳巷道掘進(jìn)與支護(hù)效果[1-4]。

本文以木瓜煤礦南區(qū)左翼下組煤輔助運(yùn)輸巷支護(hù)控制為研究對象，通過數(shù)值模擬分析了聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的圍巖變形及塑性區(qū)發(fā)展控制效果[5-7]，以期為類似工程提供設(shè)計(jì)施工依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

木瓜煤礦位于山西省呂梁市方山縣大武鎮(zhèn)木瓜村，南區(qū)左翼下組煤輔助運(yùn)輸巷上部地表主要以侵蝕性黃土梁峁為主，其次為黃土溝谷地貌。采掘范圍地表上方及以東為盛地溝村，西北方向有任家塔村，西南方向有徐家山村。工作面地表有一條通往盛地溝村的鄉(xiāng)村水泥路及窯洞、磚瓦房，無高壓線塔、油氣管路及水體。掘進(jìn)期間，煤層頂板采用錨網(wǎng)梁支護(hù)，頂板巖層下沉量微小，預(yù)計(jì)不會(huì)影響到地表建筑物。蓋山厚度為241～275 m。

南區(qū)左翼下組煤輔助運(yùn)輸巷長1 227.2 m，位于采區(qū)中部，沿東西方向布置，開口穿層見9#煤頂板后沿煤層頂板掘進(jìn)。

南區(qū)左翼下組煤輔助運(yùn)輸巷布置在石炭系下統(tǒng)太原組的9#、10#煤層中，煤巖層賦存較穩(wěn)定。頂板均為石灰?guī)r，平均厚度為19.7 m；底板為砂質(zhì)泥巖，厚度為0.8～2.6 m。9#煤層厚度為2.2～3.8 m，10#煤層厚度為1.4～1.8 m，9#煤與10#煤層夾矸厚度為0.3～1.0 m。巷道直接頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，基本頂砂巖節(jié)理較發(fā)育；底板為粗砂質(zhì)泥巖、泥巖，裂隙較為發(fā)育，易發(fā)生大變形，若支護(hù)不及時(shí)或不合理，易產(chǎn)生巷道變形破壞，影響巷道正常掘進(jìn)施工。

2 巷道聯(lián)合支護(hù)控制技術(shù)

南區(qū)左翼下組煤輔助運(yùn)輸巷采用機(jī)掘一次割煤成巷的方法進(jìn)行開口，采用膠帶輸送機(jī)出煤，采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，頂部采用錨桿、錨索加金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，幫部采用錨桿加勾花網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，如圖1。

圖1 巷道支護(hù)控制技術(shù)（mm）

為將錨桿加固的“組合梁”懸吊于堅(jiān)硬巖石中，采用高強(qiáng)度錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，制定巷道支護(hù)控制技術(shù)為錨網(wǎng)索+噴漿支護(hù)。對于巷幫片幫嚴(yán)重或壓力顯現(xiàn)較大地段等，需用錨索、鋼棚、點(diǎn)柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，具體支護(hù)形式根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，制定加強(qiáng)技術(shù)措施。支護(hù)材料采用矩形金屬焊接網(wǎng)、勾花網(wǎng)、螺紋鋼錨桿等。

巷道支護(hù)控制參數(shù)如下：

（1）錨索支護(hù)。僅在巷道頂板采用錨索支護(hù)，錨索間排距1600 mm×1600 mm，矩形布置，頂部布置3 根直徑17.80 mm、長度7300 mm 錨索；在頂板破碎、頂板淋水嚴(yán)重等地段，采用補(bǔ)打錨索形成五花斷面。

工作面開口處在原有支護(hù)措施的基礎(chǔ)上，補(bǔ)打鎖口錨索4 根，錨索采用Φ17.80 mm，1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度7300 mm，間距1200 mm，垂直頂板巖層，初次張拉力230 kN，預(yù)緊力損失后不低于180 kN。

（2）錨桿支護(hù)。間排距800 mm×800 mm，呈矩形布置，每排7 根。錨桿規(guī)格為Φ20 mm、L2200 mm 的左旋螺紋鋼錨桿。托板150 mm×150 mm，厚8 mm。錨桿錨固力≥105 kN，錨桿扭矩300 N.m。

頂部中間錨桿垂直頂板，靠近兩幫頂錨桿與頂板呈75°夾角布置且距兩幫各200 mm，錨桿托盤要緊貼頂板。巷道頂板錨桿支護(hù)嚴(yán)格按照支護(hù)設(shè)計(jì)間排距要求打設(shè)，當(dāng)局部片幫或超寬，頂角錨桿距幫部大于400 mm 時(shí)，必須在頂角處補(bǔ)打錨桿。掘進(jìn)時(shí)頂板永久支護(hù)距離工作面迎頭最大不超過200 mm，探水時(shí)兩幫支護(hù)需緊跟工作面。

（3）鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)片Φ6 mm，長× 寬=2000 mm×1000 mm，網(wǎng)格長×寬=100 mm×100 mm。網(wǎng)片搭接長度至少為100 mm，每200 mm 聯(lián)網(wǎng)一道，采用14#鐵絲相連，扭結(jié)不小于3 圈，長邊、短邊均搭接；幫部采用勾花網(wǎng)支護(hù)，勾花網(wǎng)Φ2.8 mm，長×寬=2000 mm×1100 mm，網(wǎng)格長×寬=100 mm×100 mm，網(wǎng)片搭接長度至少為100 mm，每200 mm 聯(lián)網(wǎng)一道，采用14#鐵絲相連，扭結(jié)不小于3 圈，長邊、短邊均搭接。

（4）噴射混凝土。噴射混凝土強(qiáng)度為C20，混凝土強(qiáng)度抗拉70 MPa，抗壓1.4 MPa，配比為水泥:砂:石子=1:2:2，速凝劑摻入量一般為水泥重量的3%～4%，速凝劑必須在噴漿機(jī)上料口均勻加入。

3 巷道支護(hù)穩(wěn)定性數(shù)值分析

根據(jù)圍巖地質(zhì)條件，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，模擬巷道掘進(jìn)施工圍巖變形和塑性區(qū)發(fā)展情況。

3.1 建立數(shù)值模型

建立50 m×50 m×50 m 巷道數(shù)值計(jì)算模型。邊界條件采用底部邊界固定，豎向邊界采用水平約束。巷道圍巖采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型進(jìn)行模擬分析。圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

3.2 巷道圍巖變形特征

巷道開挖后（尚未進(jìn)行支護(hù)），其圍巖收斂變形及底鼓變形如圖2，可以看出：

圖2 巷道圍巖變形曲線

（1）巷道兩幫收斂量最大值為170 mm，巷道圍巖應(yīng)力釋放較大，變形超過可控范圍。底鼓變形量達(dá)到350 mm，不能滿足圍巖變形要求，說明需立即進(jìn)行錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)。

（2）巷道支護(hù)前，其底鼓變形量超過350 mm，且變形速度最大為52 mm/d，不滿足安全控制要求，且變形時(shí)間較長，巷道難以自穩(wěn)。

巷道采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)后，其圍巖變形情況如圖3、圖4。可以看出，采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)后，巷道兩幫變形量減少約45.5%，頂板下沉量為50 mm，減小了52%，底鼓變形量為46 mm，減小了77.5%，取得了良好的變形控制效果。說明該支護(hù)方式具有較高的變形控制效果，支護(hù)體系聯(lián)合發(fā)揮穩(wěn)定控制效果，有效控制了圍巖的演化變形。

圖3 巷道圍巖變形圖

圖4 巷道圍巖變形曲線

3.3 塑性區(qū)發(fā)展特征

巷道采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)后，其圍巖塑性區(qū)發(fā)展特征如圖5。可以看出，采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)后，巷道圍巖塑性區(qū)范圍明顯減小，頂板及兩幫塑性區(qū)范圍也相應(yīng)減小，尤其是底板下部泥巖及泥質(zhì)砂巖層基本未發(fā)生塑性破壞，底板受拉塑性破壞得到明顯改善。

4 結(jié)論

根據(jù)巷道地質(zhì)情況，提出了錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)控制技術(shù)，頂部采用錨桿、錨索加金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，幫部采用錨桿加勾花網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。通過數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場監(jiān)測表明，該支護(hù)技術(shù)能夠有效控制圍巖變形，巷道頂板下沉量減小了52%，兩幫變形量減少約45.5%；巷道圍巖塑性區(qū)范圍明顯減小，頂板及兩幫塑性區(qū)范圍也相應(yīng)減小，工程應(yīng)用效果良好。