五阳煤矿7603孤岛工作面巷道围岩控制技术研究

王涛斌

（潞安环能股份有限公司五阳煤矿，山西 长治 046200）

受相邻工作面回采所产生动压的影响，孤岛工作面的煤体易发生破碎，加剧了支护结构的设计难度，加之工作面自身回采的影响，极容易导致巷道围岩在较大的巷道矿压下发生变形，对采矿安全性形成威胁，因此，探索孤岛工作面巷道围岩控制技术，显得十分必要。因此，以五阳煤矿7603孤岛工作面为工程对象，综合利用数字模拟和理论分析等方法，对其支护方案和围岩控制技术进行了探索。

1 工作面地质概况

五阳煤矿7603孤岛工作面的埋藏深度介于429m到514m之间，主采3#煤层，平均煤层厚度为6.16m，煤层倾角介于3°到15°之间，平均倾角为7°左右。7603临近的7601和7605工作面的回采工作已经结束，因而，7603工作面属于孤岛工作面。7603工作面的运输巷与7605工作面接近，巷道断面为倒梯形，保护煤柱高30m，巷道宽5.5m，两帮分别长4.2m与3.5m。运输巷的底板主要以砂岩和泥岩为主，顶板以泥岩、砂泥岩以及砂质泥岩为主。在巷道掘进过程中，在相邻工作面动压的作用下，会导致两帮发生严重变形，同时会引发底鼓现象，7603工作面位置示意图如图1所示。

图1 7603孤岛工作面示意图

2 运输巷的支护问题和设计方案

2.1 巷道支护问题

1）在运输巷的掘进过程中，顶板较为完整，未出现明显变形和下沉现象，局部地段发生底鼓，两帮存在严重变形。

2）巷道支护之间缺乏有效连接，支护整体性欠佳，巷帮支护未能利用顶板承载力，未能构成同控体系。

3）锚杆锚索未倾斜安装，无法形成协调支护结构。

2.2 支护设计方案

在明确巷道支护问题及工作面地质概况的基础上，7603工作面运输巷道支护结构设计方案如下：

1）针对巷道围岩稳定性差的问题，应在利用锚网梁组合以及高强锚杆进行支护的同时，强化网的韧性和梁的强度，构建高强锚固体系，以此，来实现对巷道围岩变形的科学防范，并将应力作为参考依据，合理选用全长锚固或者加长锚固方式。

2）借助于数值模拟分析，明确不同支护参数对围岩稳定性的影响，选择最优锚杆参数，结合巷道施工信息反馈，对巷道支护方案进行科学设定，制定最佳支护方案。

3）实现锚杆与锚索的有机结合，提升支护结构的整体性能，防止因局部应力过大，对整个支护结构造成破坏。同时，为了防控围岩变形，应倾斜安装锚杆，提升巷道帮顶底的整体性。

3 巷道支护参数模拟数值分析

结合7603工作面的地质条件，构建模型图如图2所示。模拟埋藏深度460m，模型长、宽、高分别为230m、120m和160m，模型底部为固定边界，4个侧面可水平移动。该模型的单元和节点分别为450560个和473387个。巷道顶底板力学参数见表1。

图2 数值模拟模型图

表1 顶板和底板的力学参数表

3.1 模拟方案

选用正交模拟方法，在原巷道支护参数的基础上，重点优化相关参数。

1）若锚杆（索）采取垂直安装方法，锚杆间排距设置为900mm×900mm，锚索为7300mm，则锚杆的模拟长度可设置为 2.0m、2..2m、2.4m、2.6m、2.8m，巷道围岩应力状况。

2）若锚杆（索）采取垂直安装方法，锚杆长2.4m，锚索为7300mm，则模拟锚杆间排距可设置为800mm ×800mm、900mm ×900mm、1000mm ×1000mm、1100mm×1100mm，巷道围岩变形规律。

3）若锚杆间排距设置为900mm×900mm，锚索长7300m，锚杆长2.4m，若实施垂直安装方式，模拟顶板锚索采取“303”以及“323”五花布置，巷道围岩变形规律。

4）若锚索长度和锚杆长度分别为7300mm和2.4m，锚杆间排距设置为900mm×900mm，模拟巷道两帮锚杆摸索倾斜15°、10°、5°和垂直布置时，巷道围岩变形情况。

3.2 锚杆长度模拟结果

如图3所示，随着锚杆长度的增加（2.0m增长至2.4m），顶板下沉量和窄煤柱帮、实体煤帮移进量明显缩小，底鼓量变化不明显。基于锚杆长度为2.8m时，巷道围岩变形未在锚杆2.4m的基础上发生改变，据此可将锚杆长度设定为2.4m。

图3 不同锚杆长度下的巷道围岩变形云图

3.3 锚杆间排距模拟结果

如图4所示，若锚杆间排距为1100mm×1100mm，巷道最大变形量为215.1m，随着间排距的缩小，最大变形量也逐渐降低，这一结果表明锚杆间排距过大，容易降低巷道稳定性，因此，应将锚杆间排距设定在800mm到1000mm之间。

图4 不同锚杆间排距下的巷道围岩变形云图

3.4 锚索布置方式模拟结果

如图 5所示，与“303”布置方式相比，“323”布置方式能够实现对顶板变形的有效控制。考虑到7603孤岛工作面底鼓和两帮变形严重的现状，采用“323”方式对顶板锚索进行布置，容易导致巷道维护成本增加，为了防范顶板变形，在锚索布置过程中，采用“303”布置方式。

图5 不同锚索布置方式的巷道围岩变形云图

3.5 帮锚杆锚索角度模拟结果

基于整体性原则，应将锚杆倾斜安装，使杆尾能够锚固在巷道顶底板，借助于托梁对顶板和巷帮进行支护，形成整体，产生对巷道围岩变形的控制作用。如图6所示，巷道水平位移量随着倾角的增大而逐渐缩小，当煤柱侧的巷帮变形量逐渐减小，实体煤侧的变形量也随之减小。当倾角为15°时，变形量为垂直状态的47.4%，当倾角为10°时，变形量为垂直状态的53.7%，因此，为了降低施工施工成本，简化施工流程，建议将运输巷帮锚杆锚索的倾角设置为10°。

图6 不同倾角下的巷道水平位移云图

4 巷道支护方案及支护效果

4.1 围岩变形控制方案

根据数值模拟分析结果，将巷道围岩控制方案参数设计如下：

1）顶板支护。选用左旋无纵筋螺纹钢的高强锚杆作为顶锚杆，规格为d22mm×2400mm，锚杆间排距设置为850mm×900mm，每排7根，预紧扭矩设置为400N·m，顶板借助于金属网和直径为16mm、长度为5500mm的钢筋梯子梁进行辅助支护，锚索规格为d22mm×73900mm，金属网的规格为5500mm×1000mm，以303五花布置方式为主，间排距设置为1600mm×1800mm，借助于Z2360型树脂锚固剂（2支）和K2335型树脂锚固剂进行锚固处理，锚固长度应≥1.97m，预紧力应≥400KN。

2）巷帮支护。选用左旋无纵筋螺纹钢的高强锚杆作为顶锚杆，规格为d22mm×2400mm，锚杆间排距设置为900mm，下帮设置4根锚杆，上帮设置4根锚杆，间排距950mm，预紧扭矩设置为400N·m。梯子梁的规格为d16mm，上、下帮长度分别为4100mm和3500mm。上帮金属网的规格为4100mm×1000mm，下帮金属网的规格为3500mm×1000mm，在煤柱侧安装长5300mm的锚索，每排设置2根锚索，间排距设置为为1800mm×1800mm，上部锚索向上倾斜10°，距离顶板1000mm，下部锚索向下倾斜10°，距离底板700mm。预紧力和锚固方式与顶板支护相同。

4.2 工业性检验

原巷道的两帮变形量约为1000mm，锚杆锚索存在严重损耗，无法形成巷道安全性的保障。为了科学评判巷道支护质量，持续检测了运输巷的位移情况。结果显示，顶板和两帮的最大移近量分别为385mm和577mm，顶板和两帮的变形均处于可控范围内。总的来说，新支护方案实现了对围岩有害变形的科学防控，有助于确保各项生产正常进行。

图7 巷道支护效果

5 结论

1）通过对运输巷支护问题进行分析发现，巷道两帮存在明显变形，底鼓现象存在于部分地段，因此，应实施锚网梁组合支护方法，选用高强锚杆，实现帮顶底的同步控制，实现对围岩变形的科学防控。

2）通过对数值模拟分析，基于不同锚杆安装倾角、布置方式、锚杆长度以及间排距下的巷道围岩变形情况，并据此选择最佳支护参数。

3）结合数值模拟结果，对五阳煤矿7603孤岛工作面的围岩变形控制方案进行了设计，结果显示，巷道围岩和两帮的最大移尽量均在允许范围内，有效提升了巷道的安全性。