佟洪廣

（山西晉城煤業(yè)勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

胡底礦3 煤埋深較大，開采水平垂深約700 m，內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造以褶曲為主，斷裂構(gòu)造不發(fā)育。煤層厚度5.20～6.15 m，平均5.72 m； 傾角3°～10°，平均6°；煤層結(jié)構(gòu)簡單，無夾矸，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，采用傾斜長壁綜合機(jī)械化分層采煤法回采。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

1303（上）分層綜采工作面位于3 煤一盤區(qū)南部，其13032 巷為本工作面回風(fēng)巷，在工作面回采完畢后，將該巷復(fù)用為1305（上）分層工作面的進(jìn)風(fēng)和運(yùn)料巷。工作面巷道平面布置見圖1。13032 巷凈斷面尺寸高×寬為3 000 mm×5 000 mm，采用“錨網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護(hù)。由于13032 巷斷面尺寸較大，同時(shí)在地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和兩次采動影響作用下，圍巖變形嚴(yán)重、破壞范圍大，巷道維護(hù)問題突出。

圖1 工作面巷道平面布置

2 巷道圍巖破壞影響因素及支護(hù)方案

2.1 巷道圍巖破壞影響因素

13032巷為大埋深、大斷面和受兩次采動影響的回采巷道。首先，巷道所受圍巖靜壓和圍巖應(yīng)力與埋深成正比，且圍巖靜壓呈均勻分布，故支護(hù)強(qiáng)度最薄弱部位支護(hù)結(jié)構(gòu)會率先失效[1-3]；而煤的自承力較差，在支護(hù)結(jié)構(gòu)失效后，巷道圍巖會在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變形而導(dǎo)致失穩(wěn)破壞[4]。其次，矩形巷道周邊極易出現(xiàn)受拉區(qū)域，受力狀態(tài)較差，圍巖常會產(chǎn)生張拉力而引起巷道變形破壞[5]。然后，在1303（上）分層和1305（上）分層綜采工作面兩次采動影響下，導(dǎo)致工作面前方與側(cè)方出現(xiàn)應(yīng)力集中，增加了13032 巷圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載，若支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠也將會發(fā)生變形破壞。

2.2 巷道圍巖支護(hù)方案

煤巷圍巖強(qiáng)度偏低、完整性較差且節(jié)理發(fā)育，在對其圍巖控制時(shí)應(yīng)遵循六項(xiàng)原則：圍巖變形量控制、可縮性支護(hù)、高強(qiáng)度加固、整體錨固、及時(shí)支護(hù)和提高圍巖自身強(qiáng)度原則[6-8]。

基于圍巖破壞影響因素和巷道圍巖支護(hù)原則，在13032 巷原支護(hù)基礎(chǔ)上，提出采用“高強(qiáng)度錨桿+金屬網(wǎng)+W鋼帶+錨索” 聯(lián)合支護(hù)方案對其圍巖進(jìn)行一次支護(hù)，支護(hù)參數(shù)見表2。

表2 13052 巷一次支護(hù)參數(shù)

3 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)模擬及參數(shù)確定

為了確保13032 巷支護(hù)參數(shù)科學(xué)合理，結(jié)合3煤工程地質(zhì)資料，采用FLAC數(shù)值模擬軟件，在對巷道進(jìn)行一次支護(hù)的前提下，對不同錨索密度時(shí)巷道圍巖變形情況進(jìn)行分析，以確定最佳錨桿密度和布置方式，對巷道進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)相鄰1303（上）分層工作面和本工作面地質(zhì)條件、煤巖層力學(xué)參數(shù)及賦存情況，建立了尺寸為長×寬×高=300 m×100 m×150 m的數(shù)值模型，模型四周、底部和上部分別為鉸支、固支和自由邊界，模型上部施加17.5 MPa的均布載荷以等效上覆巖層重力。計(jì)算模型采用摩爾- 庫倫準(zhǔn)則，13052 巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)模擬方案如下：

方案1：為一次支護(hù)，排2 根/ 排錨索，采用矩形布置，間排距為2 000 mm×2 000 mm。

方案2：在原兩排錨索間補(bǔ)打一根錨索，采用“2-1-2-1”布置，排距為1 000 mm，每排2 根錨索時(shí)，間距2 000 mm，距幫1 600 mm；每排1 根錨索時(shí)，布置在巷道正中。

方案3：在原兩排錨索間補(bǔ)打一排錨索，即每排2 根錨索，采用矩形布置，間排距為2 000 mm×1 000 mm。

方案4：在原兩排錨索間補(bǔ)打一排錨索，補(bǔ)打錨索為每排3 根，即采用“2-3-2-3”布置，排距為1 000 mm，每排2 根錨索時(shí)，間距2 000 mm，距幫1 600 mm；每排3 根錨索時(shí)，巷道中間1 根，間距1 600 mm，距幫1 000 mm。

方案5：在原巷道支護(hù)上補(bǔ)打錨索，構(gòu)成每排3根錨索，采用矩形布置，巷道中間1 根，間排距為1 600 mm×1 000 mm。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

回采期間不同補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案時(shí)巷道圍巖塑性破壞區(qū)隨錨索密度的變化情見圖2。當(dāng)采用方案1時(shí)，巷道頂?shù)装寰幱诶炫c剪切破壞，兩幫產(chǎn)生明顯剪切破壞，巷道圍巖破壞基本呈蝶形，巷道兩肩角與兩底角區(qū)域破壞顯著。采用支護(hù)方案2、方案3和方案4 時(shí)，巷道圍巖破壞狀態(tài)與方案1 相似，但隨錨索密度增大，巷道圍巖塑性破壞區(qū)范圍明顯減小。采用支護(hù)方案5 時(shí)，巷道圍巖塑性破壞區(qū)范圍與方案4 無明顯變化，說明巷道圍巖塑性破壞區(qū)范圍隨錨索密度增大呈先減小，后穩(wěn)定的變化規(guī)律，即錨索密度增大顯著增強(qiáng)了對圍巖變形的控制效果，但當(dāng)錨索密度增大到一定值后，對巷道圍巖塑性破壞區(qū)發(fā)育的控制效果不再隨錨索密度增大而變化。

圖2 不同支護(hù)方案巷道圍巖塑性區(qū)分布云圖

綜上所述，并充分考慮回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、合理性、服務(wù)年限和受采動影響等多重影響因素下，采用方案4 對13052 巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)最為合理。13052 巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)見圖3.

4 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案及支護(hù)效果

4.1 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

為了更好的控制圍巖變形，在13052 巷原支護(hù)和一次支護(hù)基礎(chǔ)上，按照方案4 對其進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，并確保布置的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)錨索施加的預(yù)緊力≥250 kN，具體支護(hù)參數(shù)見表3。

表3 13052 巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)

項(xiàng)目 材料規(guī)格 參數(shù)錨索托盤 長×寬×厚=300 mm×300 mm×16 mm 鋼板 布置參數(shù)與錨索一致鋼筋托梁 采用Φ20 mm 的鋼筋焊接而成，長×寬=2 500 mm×280 mm錨固劑 MSK2335 型和MSZ2360 型樹脂錨固劑進(jìn)行加長錨固 采用1 支MSK2335 型和2 支MSZ2360 型錨固劑，錨固長度≥1 870 mm，錨固力≥150 kN

圖3 13052 巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

4.2 支護(hù)效果

為了評估一次支護(hù)和二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)對13052巷圍巖的控制效果，在該巷道長200 m的試驗(yàn)段內(nèi)設(shè)置2 個(gè)測站，測站間距80 m，對巷道圍巖表面位移變化情況進(jìn)行觀測，結(jié)果表明：巷道兩幫移近量、底鼓量和頂板下沉量的最大值分別為210.16 mm、80.42 mm和110.25 mm，巷道斷面收斂較小，巷道圍巖控制效果較好，滿足1305（上）分層工作面回采時(shí)的復(fù)用要求。

5 結(jié)語

1）基于13052 巷工程地質(zhì)條件，對巷道圍巖破壞影響因素進(jìn)行分析，在巷道原支護(hù)基礎(chǔ)上提出采用“高強(qiáng)度錨桿+金屬網(wǎng)+W鋼帶+ 錨索”的聯(lián)合支護(hù)方案對其進(jìn)行支護(hù)。

2）采用數(shù)值模擬方法研究了不同錨索密度時(shí)巷道二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果，對補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)錨索密度和布置方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并給出了具體補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。

3）現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，在原支護(hù)基礎(chǔ)上采用一次支護(hù)和二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)對13052 巷圍巖變形控制效果顯著，巷道可在下一個(gè)工作面生產(chǎn)時(shí)安全復(fù)用。