阳煤二矿81215 回风顺槽围岩支护技术研究与应用

2021-07-08耿永飞

山东煤炭科技 2021年6期

耿永飞

（阳泉煤业集团有限责任公司二矿，山西阳泉 045008）

1 工程概况

阳煤集团二矿81215 综放工作面位于+470 m水平，15#煤十二采区。工作面东部为81219 工作面采空区，西部为尚未掘进的81213 工作面，北部为矿界保护煤柱，南部为15#煤十二区准备巷。工作面开采15#煤层，煤层厚度为5.08～7.07 m，平均厚度6.40 m，平均含2 层夹矸，属复杂煤层。工作面区域煤层直接顶为砂质泥岩，均厚4.3 m；基本顶为石灰岩，均厚4.66 m；底板岩层为砂质泥岩和细粒砂岩。

81215 回风顺槽主要为工作面提供回风、行人、辅助运输等服务，巷道沿煤层底板掘进，为全煤巷道，巷道净宽×净高=4200 mm×3000 mm，巷道采用锚网索支护技术。锚杆采用规格为Φ20 mm×2200 mm 的螺纹钢锚杆，顶帮锚杆的间排距分别为800 mm×900 mm 和900 mm×900 mm，锚索采用规格为Φ21.6 mm×8300 mm 的1×7 股钢绞线，锚杆索之间采用W 型钢带进行联结，顶板及巷帮采用金属网进行护表，如图1。巷道掘进50 m后，通过围岩变形量观测可知，巷道变形量较大，顶板最大下沉量为300 mm，巷道两帮最大移近量达到500 mm，严重影响巷道的正常使用，故需对巷道支护参数进行优化设计。

图1 回风顺槽原有支护方式示意图

2 锚杆（索）支护数值模拟分析

为确定巷道支护的合理参数，根据81215 回风顺槽的地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件进行围岩支护参数的设计分析。建立数值模型的长×宽×高=130 m×20 m×60 m，模型中回风顺槽的尺寸为宽×高=4.8 m×3.0 m。模型边界条件为前后左右四面限制水平方向的位移，模型底部限制垂直方向的位移，模型上部根据工作面地质条件，施加与上覆岩层载荷相等的均布载荷9.75 MPa，模型的侧向系数设置为1.2[1-3]，根据巷道地质条件进行顶底板岩层各项参数的赋值。具体顶底板岩层物理力学参数见表1，数值模型如图2。

表1 顶底板岩层物理力学参数表

图2 数值模型示意图

为确保81215 回风顺槽支护方案的合理性，现进行锚杆长度、锚杆间排距、锚杆预紧力、锚索间排距的模拟分析，具体模拟方案见表2。

表2 锚杆（索）参数模拟方案

（1）锚杆长度。在进行锚杆长度模拟分析时，仅改变锚杆长度，原有支护方案中的其余参数均不改变，通过对锚杆长度的数值模拟研究，能够得出巷道在不同锚杆长度下围岩变形量的数据[4-5]。根据不同锚杆长度下围岩变形量的数据值可绘制出如图3 曲线图。

图3 不同锚杆长度下围岩变形曲线图

分析图3 可知，巷道围岩变形量随着锚杆长度的增大而不断减小。其中，锚杆长度由2.0 m 增大为2.4 m 时，巷道围岩变形量的降低幅度较大，顶板下沉量降幅66.36%，煤柱帮降幅37.37%，实体煤帮的降幅64.19%；当锚杆长度大于2.4 m 后，随着锚杆长度的不断增大，此时围岩变形量的降低幅度大幅减小；锚杆长度增大到2.6 m 时，锚杆围岩的变形量相较于2.4 m 时的降幅在10%～14%的范围内。故综合巷道地质条件和经济安全因素，确定锚杆的长度为2.4 m。

（2）锚杆间排距。进行锚杆间排距模拟时，同样仅改变锚杆间排距。根据模拟结果得出不同锚杆间排距下围岩变形曲线如图4。

分析图4 可知，巷道围岩变形量随着锚杆间排距的增大而不断增大。围岩变形量在锚杆间排距由0.8 m 增大为1 m 时开始大幅增大，在锚杆间排距为0.6 m 和0.8 m 时，巷道围岩顶板下沉量、两帮移近量和底鼓量均相对较小。据此考虑到安全和经济方面的因素，确定锚杆间排距为0.8 m。

图4 不同锚杆间排距下围岩变形曲线图

（3）锚索间排距。在进行锚索间排距模拟分析时，除改变锚索间排距参数外，其余参数均设置为原支护参数。根据数值模拟结果能够得出锚索不同间排距下围岩变形曲线如图5。

图5 不同锚索间排距下围岩变形曲线图

分析图5 可知，巷道围岩变形量随着断面内锚索数量的增多而不断减小。在巷道断面内每排布置1 根锚索，排距为1.6 m 时，巷道底板鼓起量较大，达到0.8 m，其次顶板下沉量达到370 mm；当巷道断面内每排布置3 根锚索，间排距为1.6 m×1.6 m时，相较于第一种模拟方案，围岩变形量大幅下降，其中顶板下沉量降幅最大，达到62.27%；当锚索间排距为1.6 m×1.6 m 时，再进一步缩小锚杆间排距时，围岩变形量的降低值便很小。综合类似工程实践结论[6-7]，确定巷道每排布置3 根锚索，锚索间排距为1.6 m×1.6 m。

3 支护方案及效果

3.1 支护方案设计

根据上述锚杆（索）支护参数的模拟结果，结合巷道围岩在原有支护方案下的变形情况，进行81215 回风顺槽支护参数的优化设计，具体优化后支护参数如下：

（1）顶板支护。锚杆采用规格Φ20 mm×2400 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为0.8 m×0.8 m，锚固采用加长锚固，托盘采用蝶形钢托盘，预紧力为250 N·m，两顶角锚杆与顶板成20°布置，其余均垂直顶板布置；锚索采用Φ21.6 mm×8300 mm 低松弛高强度1×7 股钢绞线，每排布置3 根，间排距为1.6 m×1.6 m，锚固方式为加长锚固，托盘采用规格为300 mm×300 mm×16 mm 的蝶形托盘，预紧力为120 kN，锚索均垂直于巷道顶板布置，锚杆索间采用钢筋梯子梁进行连接，采用10#铁丝编制的金属网进行护顶。

（2）两帮支护。帮部锚杆的各项参数均与顶板锚杆相同，帮部靠近底角的锚杆与巷帮成35°布置，帮角靠近顶板锚杆与巷帮成20°布置；另外在巷道帮部补设锚索，锚索为Φ21.6 mm×4200 mm 低松弛高强度1×7 股钢绞线，每排布置两根，间排距为1.4 m×1.6 m，锚索预紧力为120 kN，锚网索间同样采用钢筋梯子梁进行连接，金属网进行护帮。

具体回风顺槽优化后的支护方案如图6。

图6 81215 回风顺槽优化后支护布置图

3.2 效果分析

在81215 回风顺槽支护方案优化后，巷道掘进期间进行围岩变形量的监测分析，根据监测数据得出围岩变形量曲线如图7。

分析图7 可知，81215 回风顺槽巷道在优化后的支护方案实施后，围岩变形主要出现在巷道掘进完成后20 d 内。当巷道掘出后20 d 后，围岩变形速率逐渐减小；当巷道掘出后30 d 时，围岩变形基本达到稳定状态。最终巷道顶底板最大移进近量为140 mm，两帮最大移近量为120 mm，围岩变形得到有效控制。