五阳煤矿7603孤岛工作面巷道围岩控制技术研究

2018-08-14杨丁

山西焦煤科技 2018年5期

杨丁

(西山煤电集团有限责任公司屯兰矿，山西古交 030200)

孤岛工作面受相邻工作面回采动压影响，煤体变得较为破碎，支护难度较大，而巷道围岩又受到本工作面采动影响，巷道矿压显现较掘进期间更加剧烈。孤岛工作面应力集中，围岩变形严重，并能产生冲击地压[1-4]，对工作面安全开采造成危害，有必要对孤岛工作面巷道围岩控制技术进行研究。冯宇、姜福兴[5-6]等通过分析孤岛工作面顶板应力传递机制判断工作面开采的可行性；华心祝、张炜[7-8]等通过数值模拟软件分析支承压力选择巷道的支护技术。本文以五阳煤矿7603孤岛工作面开采为工程背景，采用理论分析、数值模拟等方法对7603运输巷的围岩控制技术以及支护方案进行研究。

1 工程概况

五阳煤矿7603工作面位于76 采区，工作面埋深为429～514 m，工作面位于3#煤层，该煤层平均厚度为6.16 m，煤层倾角为3°～15°，平均为7°，工作面位置示意图见图1. 目前，工作面两侧的7605以及7601工作面均已经回采完毕，工作面属于孤岛工作面，7603运输巷靠近7605工作面，保护煤柱尺寸为30 m. 巷道断面形状为倒梯形，巷道宽度为5.5 m，两帮的长度分别为4.2 m和3.5 m. 巷道顶板多为泥岩、砂质泥岩以及泥砂岩互层，底板多为泥岩以及砂岩，巷道顶底板煤岩体力学参数表见表1. 巷道在掘进过程受相邻工作面动压影响，巷道两帮变形较大，部分地段底鼓严重。

图1 7603工作面位置示意图

2 7603运输巷支护问题与设计方法

2.1 巷道支护存在的问题

1) 7603运输巷掘进过程中，巷道顶板较为完整，下沉及变形量均较小，局部地段底板鼓起严重，而巷道两帮变形严重。

2) 巷道支护缺乏联接，支护整体性效果较差，巷道帮顶底没有形成同控体系，巷帮支护没有充分调动顶板的承载力。

表1 煤岩体力学参数表

3) 巷道锚杆、锚索没有形成协调支护，锚杆、锚索没有倾斜安装。

2.2 巷道支护设计思路

通过分析巷道支护存在的问题，巷道支护的技术思路如下：

1) 采用高强锚杆、锚网梁组合支护，特别是巷道的围岩稳定性较差时，适当加强梁、网的强度及韧性，以形成高强锚固体系，以适应巷道围岩的剧烈变形，并根据应力大小，选择加长锚固或全长锚固方式。

2) 采用科学的设计方法，确定合理的锚杆支护参数。采用数值模拟的方法分析不同参数对围岩稳定性的影响，开展多方案选优，并与巷道初期施工信息反馈相结合，以确定巷道合理的支护方法。

3) 增加锚杆、锚索之间的联接，使巷道支护形成一个整体，避免局部应力较大，使单个支护体失效，进而破坏整个支护系统。另外，巷帮锚杆倾斜安装，使巷道帮顶底形成一个整体，共同应对巷道围岩变形。

3 巷道支护参数数值模拟分析

根据五阳煤矿7603运输巷的工程地质条件，建立模型(见图2).模拟埋深约460 m，模型尺寸为长230 m×宽120 m×高160 m，模型4个侧面为水平移动边界，底部为固定边界，模型共划分450 560个单元和473 387个节点。其中采空区模拟尺寸长100 m×宽120 m×高6 m，模型力学参数见表1.

图2 数值计算模型图

3.1 模拟方案

本次模拟所用参数以巷道原支护参数为基础，进行正交模拟，对相关支护参数进行优化：

1) 当锚杆间排距为900 mm×900 mm、锚索长度7 300 mm、锚杆(索)垂直安装时，模拟锚杆长度分别为2.0 m、2.2 m、2.4 m、2.6 m、2.8 m时巷道围岩应力分布规律。

2) 当锚杆长度为2.4 m、锚索长度7 300 mm、锚杆(索)垂直安装时，模拟锚杆间排距为800 mm×800 mm、900 mm×900 mm、1 000 mm×1 000 mm、1 100 mm×1 100 mm四种情况下巷道围岩变形规律。

3) 当锚杆间排距为900 mm×900 mm、长度为2.4 m、锚索长度7 300 mm、锚杆(索)垂直安装时，模拟顶板锚索按“323”五花布置和“303”布置下巷道围岩变形规律。

4) 当锚杆间排距为900 mm×900 mm、长度为2.4 m、锚索长度7 300 mm时，模拟巷道两帮锚杆锚索垂直巷帮布置和锚杆锚索分别向上下倾斜5°、10°、15°四种情况下，巷道围岩变形规律。

3.2 锚杆长度模拟结果分析

不同锚杆长度巷道围岩变形云图见图3.由图3可得，当锚杆的长度从2.0 m增加到2.4 m，顶板下沉量减小了8.3 mm，窄煤柱帮移近量减小30.0 mm，实体煤帮移近量减小21.4 mm，底鼓量基本不变，再增加锚杆长度到2.8 m，巷道围岩变形基本不变。因此，考虑控制巷道围岩变形，确定帮锚杆长度为2.4 m.

图3 不同锚杆长度巷道围岩变形云图

3.3 锚杆间排距的模拟结果分析

不同锚杆间排距巷道围岩变形云图见图4.由图4可得，当间排距为1 100 mm时巷道最大变形量为

215.1 mm，而间排距为900 mm和800 mm时巷道最大变形量分别为137.6 mm和120.3 mm，说明锚杆间距减小巷道变形得到有效控制，但是锚杆间排距过分增大也不利于提高巷道的稳定性。因此，合理的锚杆间排距为800～1 000 mm.

3.4 锚索布置方式的模拟结果分析

不同锚索布置方式巷道水平位移云图间图5.从图5可得，“323”布置方式和“303”布置方式两者比较，前者对控制巷道围岩变形尤其是顶板变形效果更好，但是优势并不明显。考虑到7603孤岛工作面运输顺槽主要是两帮变形和底鼓量较大，顶板变形较小，顶板锚索采用“323”布置方式增加了巷道维护成本，而且造成顶板围岩破碎不利于围岩的控制，综合考虑建议顶板锚索使用“303”的布置方式控制巷道的顶板变形。

图4 不同锚杆间排距巷道围岩变形云图

图5 不同锚索布置方式巷道水平位移云图

3.5 帮锚杆锚索角度的模拟结果分析

根据支护整体性控制原则，帮部锚杆(索)倾斜安装，使其杆体尾部锚固在巷道顶底板，由托梁使顶板支护以及巷帮形成一个整体，共同控制巷道围岩变形。不同倾角下巷道水平位移云图见图6.由图6可得，随着倾角的增大，巷道的水平位移量逐渐减小，其中煤柱侧巷帮变形量分别为192.2 mm、158.3 mm、107.8 mm、90.1 mm，而实体煤侧变形量为86.5 mm、74.7 mm、55.2 mm、46.5 mm. 煤柱侧巷道变形量减小明显，15°时巷道变形量为0°时的47.4%，而实体煤侧略小，为53.7%. 综合考虑巷道的支护效果和施工成本及难易程度，建议7603孤岛工作面运输顺槽的帮锚杆锚索的倾角为10°较为合理。

图6 不同倾角下巷道水平位移云图

4 巷道支护方案及支护效果

4.1 巷道围岩控制方案

根据数值模拟结果，得到了巷道锚杆长度、间排距、锚索布置方式以及帮锚杆(索)的安装角度，具体的设计方案如下：

1) 顶板支护。

顶锚杆为左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，规格为d22 mm×2 400 mm，每排7根锚杆，间排距为850 mm×900 mm，预紧扭矩为400 N·m，树脂加长锚固，药卷规格为K2335和Z2350各1卷，顶板配以双钢筋梯子梁和金属网作为辅助支护，梯子梁采用d16 mm的钢筋自行制作，长度为5 500 mm；金属网采用8#铅丝编制的经纬网或者菱形网，顶板金属网规格为5 500 mm×1 000 mm. 锚索规格为d22 mm×7 300 mm，布置方式为“3-0-3”，间排距为1 600 mm×1 800 mm，采用1支K2335和2支Z2360树脂锚固剂锚固，理论锚固长度约为1.97 m，锚索预紧力不小于300 kN.

2) 巷帮支护。

帮锚杆为左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，规格为d22 mm×2 400 mm，上帮5根锚杆，间距950 mm，下帮4根锚杆，间距为1 000 mm，锚杆排距为900 mm，预紧扭矩为400 N·m，锚固方式同顶锚杆。梯子梁采用d16 mm的钢筋自行制作，上帮长度为4 100 mm，下帮长度为3 500 mm. 金属网采用8#铅丝编制的经纬网或者菱形网，上帮金属网规格为4 100 mm×1 000 mm，下帮金属网规格为3 500 mm×1 000 mm. 锚索安装在煤柱侧，长度为5 300 mm，每排两根锚索，间排距为1 800 mm×1 800 mm，上部锚索距顶板1 000 mm，向上倾斜10°布置，下部锚索距底板700 mm，向下倾斜10°布置，锚固方式与预紧力同顶锚索。