杜曉歡

（晉能控股集團宏泰公司，山西 大同 037000）

晉能控股集團塔山礦8220 工作面屬于孤島綜放工作面，開采中運輸順槽和回風順槽受強烈采動影響，采用傳統(tǒng)的支護手段，該工作面巷道處于變形-修復-變形的惡性循環(huán)中[1]。因此，急需對8220 工作面內(nèi)錯尾巷進行強化支護，并對其效果進行綜合評估。

1 8220 工作面內(nèi)錯尾巷支護現(xiàn)狀分析

8220 工作面內(nèi)錯尾巷的斷面形狀為矩形，內(nèi)錯尾巷前段的高度為2.2 m，寬度為4.0 m，內(nèi)錯尾巷后段的高度為2.2 m，寬度為3.1 m，采用錨桿+錨索聯(lián)合支護的方式，支護效果如圖1。

圖1 內(nèi)錯尾巷支護現(xiàn)狀（mm）

內(nèi)錯尾巷頂板采用直徑為20 mm、長度為2000 mm 的螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1800 mm×800 mm，每排分別布置3 根錨桿；采用直徑為21.6 mm、長度為5300 mm 的鋼絞線，錨索間排距為1800 mm×800 mm，每排分別布置2 根錨索；內(nèi)錯巷兩幫采用直徑為20 mm、長度為2000 mm 的圓鋼錨桿進行支護，錨桿間排距為1000 mm×800 mm。

由于8220 工作面屬于孤島工作面，在當前支護狀態(tài)下，8220 工作面順槽圍巖變形量大、變形速度較快、四周來壓明顯[2]。據(jù)現(xiàn)場觀測結果，8220工作面順槽在實際開采中受到采動的影響，頂板最大下沉量可達0.5 m，底板最大底鼓量可達1.0 m，兩幫移近量平均在0.8 m 以上，該工作面巷道變形最嚴重的時候出現(xiàn)了頂?shù)装宓拈]合情況[3]。

2 8220 工作面內(nèi)錯尾巷強化支護設計

綜合對8220 工作面內(nèi)錯尾巷當前支護參數(shù)下巷道圍巖的變形特征以及原因分析的基礎上，擬通過采用高強度混凝土支護將頂板的壓力直接傳遞至底板，從而減小對兩幫的承載[4]。

2.1 混凝土支護承載能力核算

根據(jù)8220 工作面現(xiàn)場情況，要求混凝土支柱承受的最大載荷不得小于式（1）計算結果：

式中：γ為8220 工作面內(nèi)錯尾巷頂板的巖石容重，取值為25 kN/m3；h為8220 工作面內(nèi)錯尾巷頂板的離層厚度，取值為7.8 m；b為8220 工作面內(nèi)錯尾巷的平均跨度，取值為2.4 m。

將上述參數(shù)代入式（1）中，同時考慮到1.5 倍的安全系數(shù)，要求混凝土支柱所承受的最大載荷不得小于1852 kN×1.5=2808 kN。

2.2 混凝土支柱承載面積的確定

采用圓柱形混凝土支柱對8220 工作面內(nèi)錯巷進行強化支護。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，預估算出圓柱形混凝土支柱的半徑在0.15～0.3 m 之間。

分別對圓柱形混凝土支柱半徑為0.25 m、0.26 m、0.27 m、0.28 m、0.29 m 和0.30 m 在相同載荷作用下的承載能力進行對比，仿真結果如圖2 所示。

圖2 不同半徑混凝土支柱的承載效果

（1）當半徑為0.25 m 時，混凝土支柱在離層頂板的作用下出現(xiàn)了縱橫交錯的裂紋且相互貫通，失去承載能力。

（2）當半徑為0.26 m、0.27 m 和0.28 m 時，混凝土支柱在離層頂板的作用下出現(xiàn)了縱橫交錯的裂紋且相互貫通，混凝土支柱的強度明顯下降，幾乎失去承載能力。

（3）當半徑為0.29 m 時，混凝土支柱在離層頂板的作用下出現(xiàn)了縱橫交錯的裂紋且相互貫通，混凝土支柱的強度下降，幾乎失去承載能力。

（4）當半徑為0.30 m 時，混凝土支護內(nèi)部未出現(xiàn)裂紋，具備足夠的承載能力。

綜上所述，最終確定混凝土支柱的半徑不得小于0.30 m。根據(jù)8220 工作面內(nèi)錯巷的高度，確定混凝土支柱高度為2.2 m。

3 強化支護效果

3.1 強化支護數(shù)值模擬

（1）數(shù)值模擬仿真模型建立。根據(jù)8220 工作面的現(xiàn)場情況，基于FLAC3D軟件構建內(nèi)錯尾巷工作面模型[6]，如圖3。

圖3 內(nèi)錯尾巷數(shù)值模擬仿真模型

以圖3 所構建的數(shù)值模擬仿真模型為基礎，將整個模型劃分為487 200 個單元，其中包含有511 830 個節(jié)點。根據(jù)8220 工作面的現(xiàn)場情況，為模型施加15 MPa 的均布載荷為上邊界；下邊界取u=v=0；左右邊界為單約束邊界，其中u=0，v≠0[4]。對該工作面內(nèi)錯尾巷的圍巖參數(shù)在模型中進行設置，包括容重24 000 N/m3、彈性模量5.04 GPa、泊松比0.204、內(nèi)摩擦角30°、抗拉強度60 MPa 等[7]。

（2）數(shù)值模擬仿真結果分析?；趫D3 建立的內(nèi)錯巷數(shù)值模擬仿真模型，對采用強化支護前后工作面內(nèi)錯尾巷的變形情況進行對比，對比結果見表1。

如表1 所示，在原支護方案下對應頂?shù)装逡平繛?210 mm，左右兩幫移近量為650 mm。采用強化支護措施后，頂?shù)装逡平績H為420 mm，較原支護方案減少65%；兩幫移近量僅為260 mm，較原支護方案減少60%。

表1 強化支護手段實施前后的內(nèi)錯尾巷的變形對比

3.2 強化支護現(xiàn)場應用

將所設計的混凝土支柱強化支護措施在8220工作面實施后[8]，在內(nèi)錯尾巷內(nèi)布置4 個監(jiān)測點對巷道的實際變形情況進行監(jiān)測。其中，距離工作面開切眼600 m 的位置布置1#監(jiān)測點，在距離1#監(jiān)測點17.6 m 的位置布置2#監(jiān)測點，在距離1#監(jiān)測點31.2 m 的位置布置3#監(jiān)測點，在距離1#監(jiān)測點51.2 m 的位置布置4#監(jiān)測點。以1#監(jiān)測點為例，在開采期間，隨著工作面的推進對應頂?shù)装搴蛢蓭鸵平勘O(jiān)測結果如圖4。

圖4 1#監(jiān)測點頂?shù)装寮皟蓭鸵平侩S工作面推進的變化

綜合對2#、3#以及4#監(jiān)測點頂?shù)装搴蛢蓭鸵平繑?shù)據(jù)分析，可以得出：對內(nèi)錯尾巷進行強化支護后，各監(jiān)測點斷面收縮率較原有支護手段減少26%，并且混凝土支護未插入底板中。

4 結語

針對晉能控股集團塔山礦8220 孤島工作面在開采期間受到相鄰工作面采動的影響，當前支護手段不足以對圍巖進行有效控制，導致內(nèi)錯尾巷圍巖穩(wěn)定性差，采用混凝土支柱對原內(nèi)錯巷進行強化支護，總結如下：

（1）8220 工作面在實際開采中受到采動的影響，頂板最大下沉量可達0.5 m，底板最大底鼓量可達1.0 m，兩幫移近量平均在0.8 m 以上。

（2）確定混凝土支柱的半徑為0.30 m，混凝土支柱高度為2.2 m。

（3）對工作面進行強化支護后，經(jīng)數(shù)值模擬分析：混凝土支柱強化支護下，頂?shù)装逡平枯^原支護方案減少65%，兩幫移近量較原支護方案減少60%。

（4）實踐表明，混凝土支柱強化支護后，收縮率較原有支護手段減少26%，并且工作面未出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，混凝土支護未插入底板中。