方恩才

(淮河能源控股集團(tuán) 煤炭開采國(guó)家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232001)

回采巷道受采煤工作面回采動(dòng)壓影響，工作面超前應(yīng)力集中區(qū)域巷道頂?shù)装鍓毫Υ?，維護(hù)困難[1]。隨著煤炭開采深度逐年加深，深部煤炭開采圍巖受“三高一擾動(dòng)”影響，圍巖變形量大，破壞嚴(yán)重[2]。隨著工作面開采綜合機(jī)械化程度的提高，工作面回采推進(jìn)速度加快，回采巷道的變形控制優(yōu)劣直接影響工作面通風(fēng)、運(yùn)料系統(tǒng)是否暢通，采煤工作面的安全高效回采有較大影響[3]。

相關(guān)學(xué)者對(duì)采煤工作面回采巷道的變形破壞規(guī)律及支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究。董方庭等[4]提出巷道圍巖松動(dòng)圈失穩(wěn)破壞規(guī)律，對(duì)深部地層巷道圍巖松動(dòng)圈開展預(yù)分類研究；張農(nóng)等[5]建立了擠壓“梁”模型進(jìn)行回采巷道圍巖頂板“零位移點(diǎn)”的存在及零位移點(diǎn)以上向上運(yùn)動(dòng)、零位移點(diǎn)以下向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)證明了零位移點(diǎn)的真實(shí)存在。薛亞?wèn)|等[6]采用相似模型試驗(yàn)的方法，基于對(duì)回采巷道圍巖結(jié)構(gòu)變形破壞機(jī)制的研究，得出不同圍巖結(jié)構(gòu)巷道圍巖的受力變形形式。韋四江等[7]采用FLAC3D數(shù)值模擬方法分析高強(qiáng)錨桿、錨索協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù)在巷道掘進(jìn)、回采不同時(shí)段的動(dòng)壓作用下的巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。趙旭峰等[8]以薄煤層群聯(lián)合開采為背景，建立回采巷道外錯(cuò)式布置圍巖破碎的力學(xué)模型，并確定聯(lián)合開采上下分層工作面回采巷道水平距離。郝登云等[9]針對(duì)孫家溝煤礦特厚煤層放頂煤工作面13311回風(fēng)巷嚴(yán)重的冒頂、兩幫內(nèi)擠和底鼓等變形破壞現(xiàn)象，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析及數(shù)值模擬等研究方法，探討了回采巷道失穩(wěn)機(jī)理及主要影響因素。任建慧[10]針對(duì)布爾臺(tái)煤礦42107工作面輔運(yùn)巷受采動(dòng)影響礦壓顯現(xiàn)劇烈等問(wèn)題，得到了采動(dòng)影響下回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，構(gòu)建了采動(dòng)影響下巷道圍巖受力力學(xué)模型，并揭示了采動(dòng)影響下回采巷道圍巖應(yīng)力影響因素及作用機(jī)制。綜上可以看出，回采巷道受掘進(jìn)擾動(dòng)及工作面采動(dòng)作用，控制巷道變形難度大。

本文依托淮南礦區(qū)潘二煤礦工程背景，通過(guò)工程類比及數(shù)值計(jì)算方法優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)，考慮回采巷道受超前集中應(yīng)力影響下的巷道圍巖變形規(guī)律，依據(jù)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)原理，充分考慮巷道使用和變形要求，引入全長(zhǎng)錨固支護(hù)工藝優(yōu)化支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，提高支護(hù)效果，確保工作面回采巷道安全高效運(yùn)行。

1 工程概況

潘二礦11123工作面位于一水平東一采區(qū)，東起東一A組煤采區(qū)上山，北沿11223軌順沿空掘進(jìn)。上覆11124工作面已回采，下伏1號(hào)煤無(wú)采掘活動(dòng)。工作面標(biāo)高為-457.1～-497.5 m，傾向長(zhǎng)度220 m?？刹勺呦蜷L(zhǎng)1 345 m；煤層平均厚度5.5 m，傾角5～15°，一次采全高工藝。11123工作面回采3號(hào)煤層，3煤為黑色粉末狀，以亮煤為主，局部含平均0.8 m厚的泥巖夾矸。工作面回采范圍內(nèi)斷層67條，斷層最大落差9 m，其中落差大于等于2 m的斷層20條。受煤層層間滑動(dòng)及斷層的影響，煤層走向、傾向和厚度均有一定的變化。工作面回采巷道頂、底板巖性概況如表1所示。

表1 潘二礦11123工作面回采巷道頂?shù)装鍘r性概況

回采巷道頂板中老頂與直接頂分別為砂質(zhì)泥巖、泥巖，其抗壓強(qiáng)度分別為36.97 MPa、21.43 MPa；直接底為砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度為45.6 MPa?？梢?jiàn)回采巷道頂板巖層巖性強(qiáng)度較弱。

2 巷道支護(hù)參數(shù)初步設(shè)計(jì)

采用工程類比法進(jìn)行巷道支護(hù)參數(shù)初步設(shè)計(jì)。類比已回采11223工作面巷道，該巷道與11123工作面下順槽平面距離為180 m。兩巷道位于同一區(qū)域，巖性接近，因此可以作為本次設(shè)計(jì)巷道參數(shù)的參考對(duì)象。根據(jù)實(shí)際工程需要設(shè)計(jì)下巷道巷道凈寬×凈高=5.4 m×3 m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式，其中錨桿采用MG400型D22 mm×2 500 mm螺紋鋼錨桿，間排距為850 mm×850 mm。錨桿采用1支K2550樹脂錨固劑錨固；錨索材料為119股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，極限破斷拉力不低于583 kN。錨索D21.8 mm，長(zhǎng)6 500 mm，間排距為1 000 mm×1 600 mm，4-4布置并采用2支K2550樹脂錨固劑錨固。菱形金屬網(wǎng)規(guī)格為頂部1 100 mm×5 800 mm，幫部1 100 mm×2 300 mm。局部地段受斷層影響，采用架29U型棚支護(hù)。巷道凈寬×凈高=5.4 m×3.0 m，棚距700 mm；鋼筋背板為D10 mm×610 mm×800 mm。11233工作面下順槽的礦壓觀測(cè)表明，巷道受工作面采動(dòng)影響圍巖變形量大，需要對(duì)其支護(hù)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。

3 回采巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 回采巷道受工作面動(dòng)壓影響分析

工作面回采期間，巷道頂板受到地層重力及煤層回采產(chǎn)生的超前支承壓力作用。通常支承壓力是采空區(qū)覆巖移動(dòng)及破斷后應(yīng)力重新分布造成的。潘二礦11123工作面上覆巖層的組成復(fù)雜，圍巖強(qiáng)度較軟，回采巷道受超前支承壓力作用影響范圍廣，應(yīng)力集中系數(shù)大。針對(duì)潘二煤礦11233工作面下順槽采用FLAC3D軟件對(duì)巷道現(xiàn)有支護(hù)方案進(jìn)行模擬優(yōu)化。本次模擬主要針對(duì)回采巷道圍巖變形及支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究，模型中將工作面超前集中應(yīng)力作為圍巖應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行考慮，建立模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=60 m×50 m×50 m，矩形巷道寬度×高度=5.4 m×3.0 m，使用Mohr-Coulomb模型作為圍巖本構(gòu)關(guān)系。三維模型邊界條件設(shè)置為：側(cè)面四周采用固定水平位移邊界，底部采用固定位豎向位移邊界，頂部為自由邊界，施加豎向地應(yīng)力。根據(jù)地質(zhì)勘探時(shí)地層巖石力學(xué)性質(zhì)及地層應(yīng)力測(cè)試結(jié)果給模型中各巖層附參數(shù)[10]。數(shù)值模型巖層屬性參數(shù)見(jiàn)表2。模型中選取1.0、1.5、2.0、2.5應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行圍巖應(yīng)力施加，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

表2 數(shù)值模型巖層屬性參數(shù)

圖1 不同應(yīng)力水平環(huán)境下的回采巷道頂?shù)装逦灰屏繄D

由圖1可以看出，11123工作面回采巷道在相同支護(hù)條件下，巷道處于不同圍巖的環(huán)境中，巷道圍巖頂?shù)鬃冃瘟坎町愝^大。隨著應(yīng)力環(huán)境增高，相對(duì)地層原始應(yīng)力12.5 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.5、2.0、2.5時(shí)，頂板下沉量分別為238.7 mm、380.8 mm、561.7 mm；底鼓量分別為328.8 mm、547 mm、827 mm。可見(jiàn)當(dāng)前支護(hù)參數(shù)下，回采巷道未受采動(dòng)影響時(shí)圍巖頂?shù)装遄冃瘟繛?02.6 mm，巷道斷面收斂10.08%；當(dāng)回采巷道受超前應(yīng)力集中影響為正常值的1.5倍時(shí)，巷道頂?shù)装遄冃瘟繛?67.5 mm，巷道斷面收斂提高9.89%；隨著回采巷道進(jìn)入采動(dòng)影響劇烈區(qū)域，應(yīng)力集中程度達(dá)到2.5倍時(shí)，巷道斷面收斂高達(dá)46.29%，較大的收斂量使得回采巷道難以保證通風(fēng)及運(yùn)料的正常進(jìn)行。為使回采巷道通風(fēng)、運(yùn)料正常，常采用巷道臥底、刷幫工藝擴(kuò)大巷道斷面，巨大的施工量使得現(xiàn)場(chǎng)工人勞動(dòng)強(qiáng)度激增。因此需要合理優(yōu)化現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)以減少回采巷道受到的采動(dòng)影響。

3.2 巷道圍巖全長(zhǎng)錨固支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

錨桿全長(zhǎng)錨固有別于端頭錨固，通常當(dāng)錨固長(zhǎng)度大于錨桿長(zhǎng)度的90%時(shí)稱為全長(zhǎng)錨固。全長(zhǎng)錨固錨桿和圍巖能夠更加有效地粘結(jié)，使得巷道淺部圍巖穩(wěn)定性增加?；夭上锏酪话銥槊簩酉锏?，巷道幫部為煤體，圍巖變形量大，使用全長(zhǎng)錨固支護(hù)可以提供更好的支護(hù)效果。因此引入全長(zhǎng)錨固工藝對(duì)11123工作面上巷道進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，將原有端頭錨固優(yōu)化為全長(zhǎng)錨固。錨桿采用D22 mm×2 500 mm，支護(hù)間排距優(yōu)化為800 mm×800 mm、850 mm×850 mm及900 mm×900 mm三種支護(hù)形式并配合錨索進(jìn)行支護(hù)，采用FLAC3D對(duì)三種支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 巷道頂、底板位移量統(tǒng)計(jì)

綜上可以看出，全長(zhǎng)錨固支護(hù)技術(shù)的支護(hù)效果更優(yōu)，證明在回采巷道中使用全長(zhǎng)錨固優(yōu)于端頭錨固。方案1在原有支護(hù)參數(shù)基礎(chǔ)上運(yùn)用全長(zhǎng)錨固+錨索支護(hù)方式，并優(yōu)化了支護(hù)間排距，支護(hù)效果良好。然而在回采巷道受超前集中應(yīng)力影響劇烈區(qū)，巷道變形仍偏大，因此需要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行頂板臨時(shí)支護(hù)措施。

3.3 回采巷道應(yīng)力集中區(qū)頂板管理技術(shù)

3.3.1 錨網(wǎng)索支護(hù)巷道

1) 采取挑棚加強(qiáng)支護(hù)。上巷道在未使用超前掩護(hù)液壓支架前，距工作面煤壁0～20 m范圍內(nèi)支設(shè)兩排走向挑棚，距煤壁20～30 m范圍內(nèi)支設(shè)1排走向挑棚；下巷道距工作面煤壁0～20 m范圍內(nèi)支設(shè)兩排走向挑棚，距煤壁20～40 m范圍內(nèi)支設(shè)1排走向挑棚。

2) 挑棚使用單體配合4.5 m長(zhǎng)礦11號(hào)工字鋼梁支設(shè)。一梁四柱，柱距均勻。若巷道壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈，頂板破碎，可增加1排挑棚，除密集支柱和端頭大棚支柱外，所有支柱須穿鐵鞋。

3) 挑棚要架設(shè)正規(guī)，成一條直線，單體迎山有勁，支柱應(yīng)支到實(shí)底，活柱行程不低于200 mm，不得超高使用，三用閥不得正對(duì)人行道，初撐力不小于90 kN。工字鋼梁續(xù)接間距不大于300 mm。當(dāng)錨網(wǎng)巷道變形嚴(yán)重，頂板壓力明顯增大時(shí)，在上述支護(hù)方式基礎(chǔ)上加密單體支柱、增加挑棚排數(shù)或增加超前支護(hù)范圍。

3.3.2 U型棚支護(hù)巷道

1) 采取錨索梁配合挑棚加強(qiáng)支護(hù)。回采巷道中距工作面煤壁0～10 m范圍內(nèi)至少使用兩排錨索梁進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；距煤壁10～20 m范圍內(nèi)，使用單排錨索梁進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。同時(shí)上下巷道在0～20 m范圍內(nèi)至少支設(shè)1排走向挑棚。

2) 錨索梁支護(hù)為4.5 m長(zhǎng)礦用11號(hào)工字鋼配合不少于4根D21.8 mm×6 500 mm錨索走向布置，錨索間距均勻。挑棚使用單體配合4.5 m長(zhǎng)11號(hào)工字鋼梁支設(shè)。一梁四柱，柱距均勻。

3) 巷道壓力較大地點(diǎn)，在錨索梁下方增加單體點(diǎn)柱(一梁三柱)進(jìn)行支護(hù)。局部壓力大的地點(diǎn)可視現(xiàn)場(chǎng)情況增加1排工字鋼挑棚或增加超前支護(hù)范圍。如頂板破碎，錨索無(wú)法施工時(shí)，可改為工字鋼挑棚支護(hù)，使用4.5 m工字鋼挑棚“一梁四柱”支設(shè)。

4 工程應(yīng)用及監(jiān)測(cè)

潘二礦11123工作面上巷道圍巖支護(hù)工程中，采用錨網(wǎng)索支護(hù)形式，其中錨桿采用全長(zhǎng)錨固形式，為及時(shí)客觀地評(píng)價(jià)巷道在回采期間的支護(hù)效果，為設(shè)計(jì)參數(shù)、施工工藝的合理性和巷道加強(qiáng)支護(hù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理提供科學(xué)依據(jù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)巷道圍巖表面位移對(duì)回采巷道進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)。在距離工作面煤壁300 m處的回采巷道中開始設(shè)第一測(cè)站，依次每間隔220 m設(shè)1個(gè)測(cè)站，總共設(shè)置3個(gè)測(cè)站。測(cè)站3處巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，測(cè)站3處巷道圍巖頂?shù)装咫S著采煤工作面的推近變形量逐漸增大。當(dāng)鄰近采煤工作面115 m時(shí)，巷道圍巖變形速率增大。圍巖頂?shù)装遄冃瘟孔畲鬄?34 mm，經(jīng)簡(jiǎn)單修護(hù)，可滿足工作面通風(fēng)、運(yùn)料需求。

圖2 巷道圍巖頂?shù)装逡平繄D

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 以淮南礦區(qū)潘二礦11123工作面回采巷道為工程背景，采用工程類比與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)。研究巷道圍巖在不同應(yīng)力環(huán)境下的巷道變形量，得出當(dāng)應(yīng)力集中程度達(dá)到2.5倍時(shí)，巷道斷面收斂高達(dá)46.29%，較大的收斂量使得巷道難以維持通風(fēng)、運(yùn)料系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2) 采用全長(zhǎng)錨固支護(hù)工藝優(yōu)化巷道原有支護(hù)參數(shù)，選取最佳支護(hù)方式全長(zhǎng)錨固+錨索支護(hù)方式，錨桿采用D22 mm×2 500 mm，支護(hù)間排距優(yōu)化為800 mm×800 mm；并提出了回采巷道超前應(yīng)力集中區(qū)頂板管理技術(shù)，為類似地層回采巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。