張欣

（山西潞安工程有限公司，山西 長(zhǎng)治 046100）

1 概 況

常村煤礦2106 軌道順槽地面位置位于姬村以南，屯留國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)西北。主要用于工作面運(yùn)料、行人、通風(fēng)。2106 軌道順槽南接470 東翼輔助運(yùn)輸巷（已掘），北接2106 開切眼（已掘），西側(cè)為2104 綜放工作面，東側(cè)為未采掘區(qū)域，巷道位置如圖1（a） 所示，2106 軌道順槽位于3 號(hào)煤層，煤層平均厚度為5.82 m。根據(jù)三維勘探二次解釋結(jié)果顯示，2106 軌順掘進(jìn)至距2107 回風(fēng)聯(lián)巷北幫70.3 m 位置時(shí)，巷道可能揭露F2（H=14 m∠70°） 正斷層。2106 外切眼掘進(jìn)范圍未發(fā)育斷層及陷落柱。除此之外，F(xiàn)2（H=14 m ∠70°） 正斷層附近可能發(fā)育有其他衍生斷層等構(gòu)造。2106軌道順槽長(zhǎng)約897 m，巷道沿3 號(hào)煤層底板施工，寬5.0 m、高3.5 m，工作面地質(zhì)柱狀圖部分如圖1（b） 所示。針對(duì)該礦巷道臨回采工作面掘進(jìn)期間圍巖變形大、支護(hù)困難問題，以2106 軌道順槽為例，對(duì)其合理煤柱寬度及支護(hù)方案進(jìn)行相關(guān)研究。

圖1 巷道位置及頂?shù)装鍘r層特征Fig.1 Roadway position and rock characteristics of roof and floor

2 合理煤柱寬度模擬分析

2.1 建立數(shù)值模型

與鄰近回采工作面間煤柱寬度變化不僅影響巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，而且鄰近工作面采動(dòng)對(duì)巷道圍巖的影響程度也隨之變化，為明確煤柱寬度對(duì)于掘進(jìn)巷道圍巖穩(wěn)定性的具體影響，以常村煤礦2106 工作面的工程地質(zhì)條件為依據(jù)，借助FLAC3D 軟件進(jìn)行其掘進(jìn)及工作面開采過程的模擬[1-2]，模型X 軸、Y 軸方向分別為煤層的傾斜方向、走向方向，設(shè)計(jì)模型X 軸方向長(zhǎng)350 m、Y 軸方向?qū)?50 m、Z 軸方向厚100 m，煤巖層具體力學(xué)參數(shù)見表1。模型頂部未建立的巖層總厚度約500 m，頂部自由邊界施加12.5 MPa 的壓應(yīng)力，取側(cè)壓系數(shù)值為1.12，所建模型及模擬方案如圖2（a） 所示。

表1 巖層主要力學(xué)參數(shù)Table 1 Main mechanical parameters of rock strata

圖2 數(shù)值模型及開挖范圍示意Fig.2 Numerical model and excavation scope

2.2 數(shù)值模擬研究

模擬計(jì)算時(shí)，2106 軌道順槽沿3 號(hào)煤層底板布置，矩形斷面寬5.0 m、高3.5 m，巷道無(wú)支護(hù)，采空區(qū)頂板采用自然崩落法處理，2104 工作面回采方向與2106 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)方向相反，煤柱寬度為15～40 m。煤柱內(nèi)的應(yīng)力狀況與巷道圍巖穩(wěn)定性密切相關(guān)，為準(zhǔn)確掌握不同煤柱寬度內(nèi)的應(yīng)力分布，在煤柱中部布置測(cè)線，在2104 工作面回采穩(wěn)定后，得到煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布，如圖3（a） 所示；監(jiān)測(cè)巷道頂板垂直位移，得到圖3（b） 所示結(jié)果。

圖3 不同煤柱寬度條件下垂直應(yīng)力和位移模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of vertical stress and displacement with different coal pillar width

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，煤柱寬度為15、20、25 m 時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力基本呈單峰分布，應(yīng)力峰值分別為18.73、21.58、25.09 MPa，此時(shí)煤柱兩側(cè)的應(yīng)力在煤柱上方疊加，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定；當(dāng)煤柱寬度為30、35、40 m 時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力呈雙峰分布，應(yīng)力峰值穩(wěn)定在20 MPa 以下，此時(shí)煤柱兩側(cè)的支承壓力未在煤柱內(nèi)部疊加，煤柱內(nèi)存在一定寬度的彈性區(qū)[3]，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定較有利；煤柱寬度為15 ～25 m 時(shí)，巷道中線附近頂板下沉量最大值均超過500 mm 以上，煤柱寬度為30 ～40 m 時(shí)，巷道中線附近頂板下沉量最大值小于500 mm，巷道圍巖穩(wěn)定性較好。綜上表明，2106 工作面與鄰近合理煤柱尺寸為30 m。

3 支護(hù)方案模擬研究

常村煤礦2106 軌道順槽原設(shè)計(jì)支護(hù)方式為錨網(wǎng)支護(hù)，結(jié)合相似條件下巷道變形特征，在原支護(hù)基礎(chǔ)上，通過增加錨索、調(diào)整錨桿布置參數(shù)進(jìn)行支護(hù)方案的優(yōu)化，共提出5 種支護(hù)方案。

方案一(原支護(hù)）：頂板及兩幫錨桿規(guī)格φ22 mm×2 400 mm，每排14 根錨桿，頂錨桿間距900 mm，預(yù)緊力距250 N·m，所有錨桿垂直頂板安裝，幫錨桿間距950 mm，預(yù)緊力距150 N·m，所有錨桿沿水平方向布置。

方案二：在原支護(hù)基礎(chǔ)上，錨桿排距優(yōu)化為800 mm，頂板增加1 根錨索，規(guī)格φ22 mm×6 300 mm，排距2.4 m，預(yù)應(yīng)力150 kN。

方案三：在原支護(hù)的基礎(chǔ)上，肩角附近的錨桿傾斜布置，頂板增加錨索支護(hù)，錨索規(guī)格φ22 mm×7 300 mm，采用“二一二”布置，間排距2 200 mm×1 800 mm，預(yù)應(yīng)力150 kN。

方案四：在方案三的基礎(chǔ)上，頂板錨索調(diào)整為“二二”布置，間排距2 200 mm×900 mm，頂板錨桿預(yù)緊力距350 N·m，幫錨桿預(yù)緊力距250 N·m，頂板錨索預(yù)應(yīng)力250 kN。

方案五：在方案四的基礎(chǔ)上，頂板錨索調(diào)整為“三三”布置，間排距1 100 mm×900 mm。

2106 軌道順槽與鄰近回采工作面間留設(shè)30 m煤柱，巷道附近的煤巖體網(wǎng)格加密布置，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，整理得到頂板下沉量和煤柱幫內(nèi)移量變化規(guī)律，如圖4 所示。可以看出，5 種支護(hù)方案條件下，巷道頂板下沉量和煤柱幫內(nèi)移量均較支護(hù)前顯著降低，說(shuō)明各支護(hù)方案均能對(duì)圍巖起到一定的控制作用。原支護(hù)方案條件下，頂板下沉量和煤柱幫內(nèi)移量均相對(duì)較大，支護(hù)效果相對(duì)較差；支護(hù)方案2、3 條件下，巷道表面變形量相對(duì)較小，支護(hù)效果得到一定提升，但支護(hù)方案4、5 對(duì)于巷道圍巖的控制效果更好，頂板最大下沉量為80 mm 左右，煤柱幫最大水平位移為40 mm 左右，預(yù)計(jì)可保證巷道圍巖穩(wěn)定性。

圖4 不同支護(hù)方案圍巖變形量Fig.4 Deformation of surrounding rock under different support schemes

4 最優(yōu)支護(hù)方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果分析

4.1 最優(yōu)支護(hù)方案

結(jié)合前文數(shù)值模擬結(jié)果并同時(shí)考慮資源利用率、巷道支護(hù)等方面因素，確定常村煤礦2106 軌道順槽與2104 綜放工作面間煤柱寬度為30 m，掘巷階段永久支護(hù)方式為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)，詳細(xì)參數(shù)如下。

巷道斷面尺寸寬、高為5.0 m、3.5 m，頂板錨桿規(guī)格φ22 mm×2 400 m，所用材料種類為左旋螺紋鋼，頂板錨索規(guī)格φ22 mm×7 300 m，所用材料種類為1770 級(jí)低松弛鋼絞線，頂板鋼筋梯子梁由直徑14 mm 的圓鋼制作，頂板和兩幫采用8號(hào)菱形金屬網(wǎng)片護(hù)表，頂板錨桿預(yù)緊力距350 N·m，幫錨桿預(yù)緊力距250 N·m，頂板錨索預(yù)應(yīng)力250 kN，支護(hù)詳情如圖5 所示。

圖5 2106 軌道順槽支護(hù)方案Fig.5 Support scheme of No.2106 track crossheading

4.2 支護(hù)效果分析

常村煤礦2106 軌道順槽采用高強(qiáng)度預(yù)緊力錨桿錨索支護(hù)方案（優(yōu)化支護(hù)方案四），與2104 工作面間留設(shè)30 m 煤柱，掘巷期間及2106 工作面回采期間監(jiān)測(cè)巷道表面圍巖變形量[4]，典型數(shù)據(jù)如圖6 所示?？梢钥闯?，掘進(jìn)期間巷道支護(hù)完成后，隨著成巷時(shí)間的延長(zhǎng)，巷道表面變形量呈現(xiàn)階段性快速增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，頂?shù)装逡平考s51.8 mm，兩幫移近量約59.4 mm，巷道表面變形量微小，可見變形破壞得到有效控制，能夠保證巷道正常使用；在服務(wù)于工作面生產(chǎn)期間，超前工作面約35 m 處圍巖開始進(jìn)一步變形，在距工作面10 m 以內(nèi)時(shí)變形速度最快，在工作面回采至測(cè)站前方約1 m 處時(shí)，頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平烤鶠?50 mm左右，總體變形量雖然較大，但是可保證巷道的正常生產(chǎn)，巷道的過度變形得到有效控制。

圖6 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.6 Mine pressure monitoring results

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)常村煤礦與回采工作面相鄰巷道煤柱留設(shè)寬度不合理、支護(hù)效果差的問題，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)值模擬等方法，對(duì)最優(yōu)煤柱寬度和巷道支護(hù)方案進(jìn)行研究，工業(yè)性試驗(yàn)階段進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，煤柱寬度大于30 m 后，煤柱內(nèi)存在穩(wěn)定的彈性區(qū)，利于巷道圍巖穩(wěn)定，結(jié)合2106 軌道順槽的工程地質(zhì)特征，在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上提出了5 種錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案，通過數(shù)值模擬分析確定最優(yōu)方案，實(shí)踐表明，優(yōu)化后的煤柱尺寸和支護(hù)方案可控制巷道圍巖的變形破壞，滿足礦井安全生產(chǎn)需求。