西沟煤业3513运输顺槽在采动影响下围岩控制技术研究

张燕沙

（山西阳城阳泰集团西沟煤业有限公司，山西 阳城 048100）

1 工程概况

山西阳城阳泰集团西沟煤业3513工作面位于阳邑村东部，地表为低山丘陵区，地面标高在＋713～＋760m之间，地表无水体，同时地质构造简单，无大的断层、褶曲、陷落柱，3513工作面内煤层厚度在3m左右，煤层倾角为3～6o，赋存较稳定，为近水平煤层，煤层结构简单～较简单，煤体颜色呈现黑色～灰黑色，煤质属于光亮型煤，总体上呈现出条带状结构，层状构造，内生裂隙较少，为特低灰～低灰、特低硫、高热值之无烟煤。矿井水文地质类型为中等类型，伪顶：其伪顶为炭质泥岩，厚约0～0.2m。直接顶板岩性呈现为黑色泥岩或粉砂岩，分选良好，含有泥岩包裹体，老顶：中—细粒砂岩，层位不稳定，一般情况下，维持很大的悬露面积，不随直接顶一起垮落，只能发生缓慢下沉，当悬露较大面积后才能自行垮落，厚3.53～17.7m。底板：粉砂质泥岩，较稳定，厚约1.83m。其顶底板基本特征见表1，3513运输顺槽位于3500采区运输大巷536m处北侧位置，掘进期间沿顶板施工，在工作面回采阶段顺槽巷道围岩变形严重，出现了顶板下沉、两帮突出等问题。

表1 煤层顶底板情况表

2 运输顺槽原先支护方式及破坏特征

2.1 3513运输顺槽巷原支护方式：

矿方通过锚杆以及锚索的联合方式对回采巷道进行支护，顶板采用Φ20×2000mm的螺纹钢锚杆，间排距1200×900mm，另外附加上Φ16×6000mm的矿用锚索，间排距2000×1800mm，长6m，帮部采用Φ20×1800mm的螺纹钢锚杆，间排距1200×900mm，并且与水平线之间的夹角为10°，其余与巷道垂直布置。

2.2 运输顺槽变形情况监测[1]

为了对巷道的变形情况进行详细了解，矿方在工作面前方巷道进行了现场监测，实验段巷道为从开切眼向前至100m处，每隔25m布置共布置5个测站，观测仪器采用围岩位移监测仪进行测量，本次观测采用十字布点法观测巷道变形情况，观测完成后通过对数据进行分析后得出图1围岩变形曲线图。

图1 围岩监测曲线图

观察图1可以发现整个观测持续2个月，巷道的变形量一直处于增长过程，在观测结束时顶底板和两帮变形量趋于稳定状态，顶底板监测最终所测数值为397mm，而两帮监测最终所测数值为303mm，巷道变形较为严重，影响到了煤矿的安全生产。

2.3 机理分析

为了验证巷道的变形原因，矿方在试验段巷道内采用离层监测仪分别对巷道顶板以及两帮进行监测，布置6台仪器分为2组，每组各3台仪器，其中1测站位于工作面前方30m，二测站位于工作面前方60m，浅部基点在2m左右，深部基点在7m左右，并用来实时监测不同位置的离层量，在对实验段巷道进行了离层观测后，通过整理数据得出了图3。

整个观测持续50天，观察图2（a）1测站离层曲线可以看出深基点离层量稳定在85～90mm之间，浅部基点离层量定格在55mm，从图2(b)可以看出二测站深部与浅部基点最终离层量分别为61mm以及48mm，均小于同时期一测站离层量，数据表明在超前动压影响下距离工作面越近围岩内部离层变形越大，而且主要发生在2m～7m的范围内，进一步说明了锚杆与锚索支护只是在围岩浅部形成承载层，而围岩深部却无法得到足够的承载力，离层量相对较大，因此需要补强支护。

图2 离层观测曲线

2.4 巷道返修方案工程布置

3513运输顺槽断面形状呈现为矩形，矿方根据过往经验[3-4]以及现场资料决定采用锚杆+锚索+金属网来对巷道进行补强支护，其中顶板支护方式在原先的基础上加设金属网，另外在原先所选顶锚杆的基础上对支护参数进行了优化，其中直径与长度依然为20×2000mm，材质依然为螺纹钢，但是改变原先间排距为800×900mm，通过减小锚杆间的距离来增加支护强度，并增设树脂锚固，而顶锚索是在原先基础上对锚索直径进行了提升，由原先的16mm增加为18mm，长度由原先长度6m加长为8m，锚索之间也通过加密提高锚固强度，间距由2000mm改为1600mm，排距没有变化，仍为1800mm，由原先顶板两锚索增设为三锚索布置，树脂锚固，及时支设，严禁滞后，最后在顶板搭设长4500mm，宽1000mm的菱形金属网。

图3 3513运输顺槽补强支护设计图

巷帮的支护方式为两帮各布置4根锚杆，左帮锚杆所用材料为玻璃钢，强度高可以对左帮起到足够的支撑作用，右帮锚杆选用成本较低一些的螺纹钢锚杆即可，两帮所选锚杆规格直径与长度没有发生变化，直径和长度仍为20×1800mm，将原先间距1200mm改为800mm，排距没有发生变化仍为900mm，树脂锚固，靠近顶底板位置的锚杆与水平线之间的夹角为10°，其余与巷道垂直布置，最后在左右两帮使用矩形金属网：长2700mm、宽1000mm，搭接长度为100mm，详细支护方案可见3513运输顺槽补强支护设计图。

3 优化方案检验

3.1 数值模拟

矿方为了进一步确定补强优化后巷道的稳定性，矿方应用FLAC3D软件[2]对3513工作面运输顺槽进行了建模，并对原支护以及补强后的方案进行了模拟，分别得到了补强前后的围岩位移云图。

图4 水平方向围岩位移云图

图5 垂直方向巷道围岩位移云图

在原先的支护方式下，顶底板变形量与左右两帮的变形在图形上都表现出不对称的特点，从图上红色区域可以看出巷道左帮围岩帮部变形量突出明显，在补强后左帮红色区域的缩减也正说明了帮部移进量的缩减，从数据上变现为从297.8mm降为了104.9mm，优化幅度为64.5%，另外可以看出在采用补强后的方案后，垂直方向上顶板灰色区域可以明显看出其范围的缩减，数据表现为从原先的392.1mm降为119.3mm，优化幅度为69.6%，而底板的变形量从346.7mm降为了121.7mm，优化幅度为64.8%，综上分析可以看出其中在采用补强后的支护方案后，底板变形量为119.3mm，底板变形量为121.7mm，帮部变形量为104.9mm，优化幅度都在60%以上，表明围岩控制效果良好。

3.2 工业性实验

为了对补强后的运输顺槽巷道的变形情况进行可靠性分析，矿方在运输顺槽的从开切眼向前100m内巷道进行了实地的观测，每隔20m布置一个测站，共5个测站每隔通过整理数据得到图6。

图6 围岩变形曲线以及变形速率图

通过对图6的曲线图进行分析后可以发现巷道在观测前期增速较快，顶板增长速率最大达到了15mm/d，而两帮最大增长速率为12.5mm/d，而随着时间对推移可以发现在后续阶段巷道变形逐渐趋于稳定状态，增长速率逐渐趋于0mm/d，从变形曲线图可以看出顶底板最大变形量为178mm，而两帮最大变形量为149mm，可以发现分别降低了约55.1%以及50.8%，补强后优化效果显著，围岩变形量得到了控制，从而可以确保煤矿的安全生产。

4 结 论

山西阳城阳泰集团西沟煤业3513工作面运输顺槽在回采阶段发生围岩变形量较大的情况，影响了3513工作面的安全回采，为了了解围岩变形的机理，矿方通过对巷道围岩进行现场实测后得出围岩变形段较大的原因是在超前动压影响下原先支护方案不能够对围岩深部提供足够的支护强度，因此矿方根据现场经验以及巷道实际情况确定了锚杆+锚索+金属网的补强优化方案，基于FLAC3D矿方对3513工作面运输顺槽进行了建模，得出优化后围岩控制效果明显，后又通过现场实测得出了顶底板变形量为178mm，而两帮变形量为149mm，相比优化前分别降低了约55.1%以及50.8%，围岩控制效果良好，工作面得以安全回采。