董元濤

（山西長(zhǎng)治郊區(qū)三元南耀吉安煤業(yè)有限公司）

近年來(lái)，隨著開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大，我國(guó)一大批煤礦已進(jìn)入深部開(kāi)采階段。煤礦進(jìn)入深部開(kāi)采后，巖層壓力逐漸增大，嚴(yán)重影響巷道圍巖的穩(wěn)定性［1-5］。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)深部破碎圍巖控制進(jìn)行了大量研究，左建平等［6］提出破碎圍巖梯度支護(hù)及分級(jí)控制，破碎區(qū)圍巖采用錨桿和高強(qiáng)水泥材料加固，塑性區(qū)圍巖采用錨索和納米基水泥材料加固；康紅普等［7］提出破碎圍巖協(xié)同控制，采用高壓錨注-噴漿相結(jié)合加固巷道圍巖；李桂臣等［8］提出了高強(qiáng)度綜合修復(fù)與控制技術(shù)體系，采用疏水泄壓、泥巖置換、分級(jí)注漿等多種方法協(xié)同作用加固巷道圍巖。本研究針對(duì)5110工作面兩巷圍巖變形量較大的問(wèn)題，對(duì)原“錨網(wǎng)噴+錨索”支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，取得了良好效果，為類似條件下巷道破碎圍巖控制提供借鑒意義。

1 工作面概況

山西長(zhǎng)治郊區(qū)三元南耀吉安煤業(yè)有限公司5110工作面位于一采區(qū)南部，南側(cè)為已掘51121 皮帶順槽，北側(cè)為5108 工作面采空區(qū)，西側(cè)為礦界，東側(cè)為5117工作面。工作面主采5#煤層，平均厚度為6.5 m，平均傾角5°。煤層頂板主要為粉砂巖及細(xì)粒砂，底板主要為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。工作面埋深850～890 m，屬于深部開(kāi)采。兩巷道掘進(jìn)期間揭露斷層約22條，18條斷層落差大于1 m，8條斷層落差大于5 m，最大斷層落差為13 m。工作面回采期間受動(dòng)壓影響，礦壓顯現(xiàn)劇烈，兩巷圍巖變形破壞較大，尤其是斷層附近破壞更為嚴(yán)重。

2 巷道原支護(hù)參數(shù)

5110 工作面兩巷原采用“錨網(wǎng)噴+錨索”支護(hù)，具體參數(shù)如表1所示。

由于巷道埋深大，揭露斷層構(gòu)造多，原“錨網(wǎng)噴+錨索”支護(hù)不足以保證巷道圍巖穩(wěn)定性，尤其是回采期間受動(dòng)壓影響，巷道圍巖變形較為嚴(yán)重，需要來(lái)回返修，不僅影響工作面的安全回采，還制約工作面推進(jìn)速率。

3 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

3.1 模擬參數(shù)

以5110運(yùn)輸巷為例，采用FLAC3D模擬錨桿、錨索支護(hù)時(shí)巷道圍巖應(yīng)力變化情況。建立100 m×100 m×50 m 的力學(xué)模型，垂直方向施加18 MPa 應(yīng)力，采用φ20 mm×2 000 mm 高強(qiáng)螺紋鋼錨桿、φ18.9 mm 的預(yù)應(yīng)力錨索，巷道圍巖力學(xué)參數(shù)如表2所示。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 錨固長(zhǎng)度影響

固定錨桿長(zhǎng)度為2.5 m、間排距為800 mm×800 mm、預(yù)緊力為80 kN，采用FLAC3D模擬7 種不同錨固長(zhǎng)度時(shí)5110 運(yùn)輸巷圍巖變形量和錨固力，具體模擬結(jié)果如表3所示。

由表3可知，錨固長(zhǎng)度對(duì)巷道圍巖變形量的影響不大，隨著錨固長(zhǎng)度的增加，圍巖變形量呈現(xiàn)逐漸減小并穩(wěn)定的趨勢(shì)，原因是幫部錨桿能使臨空面圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，避免了應(yīng)力集中。雖然幫部錨桿能將應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，但錨固長(zhǎng)度過(guò)短，不能保證對(duì)圍巖的錨固力。因此，需要在保證巷道圍巖錨固力的同時(shí)強(qiáng)化幫部錨桿。

若錨桿長(zhǎng)度固定，錨固長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，錨桿錨固力會(huì)超過(guò)其所能承載的極限載荷，容易出現(xiàn)斷裂破壞，合理的錨固長(zhǎng)度能保證錨桿受力情況。根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)錨固長(zhǎng)度大于1.0 m后，錨固力超過(guò)了其所能承載的極限載荷。因此，錨固長(zhǎng)度為0.8 m時(shí)，不僅能減小圍巖變形量，還能最大程度地發(fā)揮錨桿的錨固力。

3.2.2 預(yù)緊力影響。

固定錨桿長(zhǎng)度為2.5 m、間排距為800 mm×800 mm、錨固長(zhǎng)度為0.8 m，采用FLAC3D模擬3 種不同預(yù)緊力時(shí)5110 運(yùn)輸巷圍巖變形量和錨固力，具體模擬結(jié)果如表4所示。

由表4可知，預(yù)緊力的增加對(duì)巷道圍巖變形量的影響不大，但錨固力比初始施加時(shí)的預(yù)緊力大。因此，在施加預(yù)緊力時(shí)，應(yīng)適當(dāng)預(yù)留錨桿承載能力，避免錨桿斷裂破壞現(xiàn)象。根據(jù)模擬結(jié)果，錨桿施加的預(yù)緊力為其承載能力的50%～70%時(shí)能最大程度地發(fā)揮錨固力。

3.2.3 錨桿長(zhǎng)度影響

固定錨桿間排距為800 mm×800 mm、預(yù)緊力為100 kN，錨固長(zhǎng)度為錨桿長(zhǎng)度的1/3，采用FLAC3D模擬3 種不同錨桿長(zhǎng)度時(shí)5110 運(yùn)輸巷圍巖變形量和錨固力，具體模擬結(jié)果如表5所示。

由表5 可知，錨桿長(zhǎng)度影響錨固力，隨著錨桿長(zhǎng)度增加，錨固力也隨之增大，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增加至3.0 m時(shí)，巷道圍巖穩(wěn)定后錨桿發(fā)生斷裂破壞。因此，依靠增加錨桿長(zhǎng)度來(lái)提高錨固力是不合理的，可能會(huì)造成錨桿斷裂破壞，部分區(qū)域發(fā)生冒頂?shù)仁鹿?。根?jù)模擬結(jié)果，錨桿長(zhǎng)度為2.5 m。

3.2.4 錨桿密度

固定錨桿長(zhǎng)度為2.5 m、錨固長(zhǎng)度為0.8 m、預(yù)緊力為100 kN，采用FLAC3D模擬3 種不同錨桿密度時(shí)5110 運(yùn)輸巷圍巖變形量和錨固力，具體模擬結(jié)果如表6所示。

由表6 可知，隨著錨桿間排距的增加，巷道圍巖變形量及錨固力逐漸增大。因此，在錨桿長(zhǎng)度一定時(shí)，錨桿的間排距應(yīng)考慮單根錨桿承載能力。雖然，為了降低施工成本，可以適當(dāng)增大錨桿間排距，但可能會(huì)造成錨桿承載能力超限，出現(xiàn)斷裂破壞現(xiàn)象。根據(jù)模擬結(jié)果，錨桿間排距為700 mm×700 mm 時(shí)，能最大程度地發(fā)揮錨固力。

4 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)5110 運(yùn)輸巷支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用全斷面支護(hù)方式，共布置錨桿12 根，規(guī)格φ22 mm×2 500 mm、間排距800 mm×800 mm、錨固長(zhǎng)度0.8 m、預(yù)緊力100 kN，其中巷幫兩側(cè)底角錨桿向斜下方傾斜30°；共布置7 根錨索，其中頂板4 根，規(guī)格φ18.9 mm×7 500 mm，間排距1 400 mm×1400 mm。同時(shí)，采用噴射混凝土支護(hù)，噴射厚度120 mm。具體支護(hù)如圖1所示。

5 支護(hù)效果檢驗(yàn)

5110 運(yùn)輸巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)33 d 圍巖變形量，驗(yàn)證支護(hù)效果，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，巷道圍巖變形量在15 d后逐漸趨于穩(wěn)定，左幫、右?guī)?、頂板、底板最大變形量分別為19，16，10，14 mm。因此，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)能有效提高巷道圍巖穩(wěn)定性，避免發(fā)生較大的變形破壞。

6 結(jié)論

（1）山西長(zhǎng)治郊區(qū)三元南耀吉安煤業(yè)有限公司5110 工作面兩巷原“錨網(wǎng)噴+錨索”支護(hù)后巷道變形破壞較為嚴(yán)重，需對(duì)原支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。采用FLAC3D模擬錨桿長(zhǎng)度、錨固長(zhǎng)度、預(yù)緊力及密度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性及錨桿承載能力影響，得到錨桿長(zhǎng)度為2 500 mm、錨固長(zhǎng)度為錨桿長(zhǎng)度1/3、預(yù)緊力為錨桿承載力極限值的50%～70%、間排距為700 mm×700 mm時(shí)，能最大程度地發(fā)揮錨桿的錨固力。

（2）施工中將原每排3 根錨索增加至7 根，增加了幫錨索和底板錨索，提高了兩幫及底板的支護(hù)強(qiáng)度，充分發(fā)揮圍巖整體的承載能力。支護(hù)后通過(guò)監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形量驗(yàn)證支護(hù)效果，左幫、右?guī)?、頂板、底板最大變形量分別為19，16，10，14 mm。支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后有效提高了巷道圍巖穩(wěn)定性，保證了工作面安全回采。