王浩鵬

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦 山西 太原 030205）

0 引言

沿空掘巷是在毗鄰工作面回采完成后，沿著采空區(qū)的邊緣留設(shè)窄煤柱進(jìn)行掘巷，其動(dòng)壓影響時(shí)間短，巷道易維護(hù)，且巷道支護(hù)費(fèi)用低，與沿空留巷相比更利于推廣[1-6]。以馬蘭礦10604工作面的現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件為工程背景，利用數(shù)值軟件FLAC3D建立三維計(jì)算模型，探究錨桿長(zhǎng)度、間排距以及錨索長(zhǎng)度等對(duì)巷道圍巖變形的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際確定合理的支護(hù)參數(shù)及支護(hù)方案，以期為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

馬蘭礦10604運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面所掘煤層為6#煤層，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，工作面地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，整體為單斜構(gòu)造，其北部為井田邊界的保安煤柱，10602 工作面位于10604 工作面的東部，目前已經(jīng)開采完成，成為采空區(qū)，10606 工作面位于10604 工作面的西部，目前未進(jìn)行開采，工作面煤層走向北南，傾向東西，傾角4°～8°，窄煤柱的寬度約為6.5 m。10604運(yùn)輸順槽為矩形巷道，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，總設(shè)計(jì)長(zhǎng)度780 m；掘進(jìn)方式為機(jī)掘，運(yùn)輸方式：刮板機(jī)及皮帶運(yùn)輸，斷面由寬4.5 m，高2.8 m。煤巖層柱狀圖見圖1。

圖1 煤巖層柱狀圖

2 沿空掘巷支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型建立

結(jié)合馬蘭礦10604 工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立三維數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=500×300×30（m），共劃分為36 160個(gè)單元、38 326個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型左右、前后、下邊界均為固定約束，上表面為自由約束；由計(jì)算結(jié)果確定10604工作面合理的錨桿長(zhǎng)度、間排距、錨索長(zhǎng)度等支護(hù)參數(shù)。各巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 錨桿參數(shù)對(duì)圍巖變形的影響

錨桿具有很強(qiáng)的錨固作用，可以與上覆的煤巖體形成錨固體，同巷道圍巖形成一個(gè)整體的承載結(jié)構(gòu)。該承載結(jié)構(gòu)可以承載其本身的重量及產(chǎn)生的變形，對(duì)圍巖具有很好的支撐穩(wěn)定作用。

固定錨桿間排距的大小，選取2.2 m、2.4 m、2.6 m、2.8 m四種不同長(zhǎng)度的錨桿進(jìn)行巷道圍巖的支護(hù)，對(duì)比巷道圍巖的變形量。同樣固定錨桿長(zhǎng)度，選取60 cm、70 cm、80 cm、90 cm、100 cm 五種不同的錨桿間排距，對(duì)比巷道圍巖的變形量。

不同錨桿長(zhǎng)度下巷道圍巖變形關(guān)系如圖2 所示。由圖2 可看出，巷道頂板、巷道底板、巷道煤柱幫以及巷道實(shí)體煤幫處的圍巖變形量隨錨桿長(zhǎng)度的增加略有下降，相比于錨桿長(zhǎng)度2.0 m 時(shí)，尤其是錨桿長(zhǎng)度為2.2 m 時(shí)，圍巖變形較錨桿長(zhǎng)度為2.0 m 時(shí)發(fā)生明顯下降，變化較大處位于主要實(shí)體煤幫處，由之前的269 mm 減小到215 mm，錨桿長(zhǎng)度大于2.2 m 時(shí)，圍巖變形量無較大的改變，所以選擇長(zhǎng)度為2.2 m 的錨桿最為經(jīng)濟(jì)合理。

圖2 錨桿長(zhǎng)度與巷道圍巖變形關(guān)系

不同錨桿間排距下巷道圍巖變形關(guān)系如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可看出，一定范圍內(nèi)，不同錨桿的間排距與巷道圍巖的變形成正相關(guān)。當(dāng)錨桿間距在70 cm～80 cm范圍內(nèi)時(shí)，圍巖變形量較小；當(dāng)間排距大于80 cm 時(shí)，圍巖變形增速較大，當(dāng)排距在60 cm～80 cm范圍內(nèi)時(shí)，圍巖變形量較??；因此，綜合考慮錨桿間排距對(duì)圍巖變形的影響以及經(jīng)濟(jì)因素，錨桿間排距選擇為80 cm。

圖3 錨桿間距與巷道圍巖變形關(guān)系

圖4 錨桿排距與巷道圍巖變形關(guān)系

2.2.2 錨索參數(shù)圍巖變形的影響

一定長(zhǎng)度的錨索，可以將較深處的巖層與錨桿錨固在一起，進(jìn)一步增強(qiáng)錨固體的穩(wěn)定性，同時(shí)增大錨固的范圍。由于錨索為柔性支護(hù)體，錨索長(zhǎng)度大于一定值后，其絕對(duì)延長(zhǎng)量相應(yīng)也會(huì)變大，巷道頂板離層值隨之變大，使得錨固體因發(fā)生錯(cuò)動(dòng)造成剪切破壞。

不同長(zhǎng)度、根數(shù)的錨索支護(hù)下，巷道圍巖變形關(guān)系如圖5、圖6 所示。從圖5 可看出，錨索長(zhǎng)度對(duì)圍巖的變形影響較大，錨索長(zhǎng)度在3 m～7 m 范圍內(nèi)時(shí)，圍巖變形量隨錨索長(zhǎng)度的增加而減小，且降幅較明顯。錨索長(zhǎng)度大于7 m時(shí)，變形量降幅較?。粡膱D6可看出，錨索根數(shù)的增加可控制圍巖的變形，且錨索根數(shù)從0～2根范圍內(nèi)，圍巖變形量降幅較大，綜合考慮，錨索長(zhǎng)度根數(shù)選為7 m、2根。

圖5 錨索長(zhǎng)度與巷道圍巖變形關(guān)系

圖6 錨索根數(shù)與巷道圍巖變形關(guān)系

3 巷道支護(hù)方案

巷道頂板錨桿采用螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度為2.2 m，直徑22 mm，錨桿的間排距為0.8×0.8(m)，每排有6 根錨桿；錨索采用長(zhǎng)度為7 m，直徑21.6 mm的礦用錨索，錨索的間排距為1.6×0.8(m)，每排有2 根錨索；同時(shí)頂板鋪設(shè)直徑10 mm的金屬網(wǎng)，間距1.0×1.0(m)。

巷道兩幫錨桿規(guī)格型號(hào)、間排距、設(shè)計(jì)與頂板相同，巷道兩幫每排有5 根錨桿；巷道兩幫鋪設(shè)直徑10 mm的金屬網(wǎng)，間距4.0×1.0(m)，同時(shí)增設(shè)鋼筋梯子梁，其直徑為12 mm；煤柱幫與實(shí)體煤幫采用礦用錨索，直徑均為17.8 mm錨索間排距均為1.8×1.6(m)，二者錨索長(zhǎng)度分別為7 m和4 m。錨桿索支護(hù)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 錨桿索支護(hù)設(shè)計(jì)圖

4 工業(yè)性試驗(yàn)

將上述研究所確定的圍巖控制技術(shù)應(yīng)用到馬蘭礦10604運(yùn)輸順槽，并進(jìn)行圍巖變形的監(jiān)測(cè)，檢驗(yàn)錨桿索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)及相應(yīng)支護(hù)參數(shù)的合理性。采用十字交叉法對(duì)10604運(yùn)輸順槽頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r表面變形進(jìn)行觀測(cè)，如8所示。

由圖8 圍巖變形曲線的變化情況可看出，隨運(yùn)輸順槽掘進(jìn)時(shí)間的增加，圍巖變形量逐漸增大，當(dāng)距離掘進(jìn)工作95 m 后，圍巖變形量的增速開始下降，并逐漸趨于穩(wěn)定。在掘進(jìn)的開始，頂板變形幅度約為4.2 mm/d，兩幫圍巖變形幅度約為5.5 mm/d，變形幅度較大。

圖8 圍巖變形曲線圖

最終頂?shù)装遄冃瘟糠€(wěn)定在178 mm，兩幫變形量穩(wěn)定在219 mm，圍巖整體變形收斂得到有效控制，表明采用本文確定的支護(hù)技術(shù)方案，可有效地控制沿空掘巷巷道的變形破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

以馬蘭礦10604 工作面為工程背景，對(duì)沿空掘巷巷道圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）探究了不同錨桿索支護(hù)參數(shù)下對(duì)沿空掘巷巷道圍巖的影響，確定了經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)參數(shù)，據(jù)此提出了錨桿索+鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

（2）采用錨桿索+鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技后，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃畏謩e穩(wěn)定在178 mm、219 mm，圍巖變形得到了有效控制，驗(yàn)證了支護(hù)參數(shù)的合理性。