塔山矿8207工作面沿空掘巷围岩控制技术研究与应用

缪志炳

(晋能控股煤业集团 塔山煤矿有限公司，山西 大同 037000)

1 工程概况

同煤集团塔山矿8207工作面井下位于3～5号煤层二盘区，工作面东北部为8205工作面，目前工作面正在回采，预计于2022年6月回采完毕，西南部为8209采空区；待8207工作面进行回采作业时，工作面已成为孤岛工作面，具体工作面位置如图1所示。工作面开采3号～5号煤层，煤层均厚为13.8 mm，顶板岩层为泥岩和细粒砂岩。8207孤岛工作面的2207巷主要为工作面提供运输、进风和行人等服务，巷道采用矩形断面，巷道掘进宽度5.5 m、高度3.6 m； 5207巷主要为工作面提供回风、行人服务，巷道采用矩形断面，掘进宽度5.2 m、高度3.8 m。由于 2207巷和5207巷掘进期间均为沿空掘巷，现以2207巷掘进期间的围岩控制为研究对象，具体进行沿空掘巷围岩控制技术研究。

图1 8207孤岛工作面布置位置示意

2 护巷煤柱宽度分析

根据8207工作面的地质资料，采用FLAC3D数值模拟软件，结合钻孔柱状图(W907号钻孔)的信息，该次模型的岩层共分为44层。模型尺寸为1 000 m×200 m(X×Z)。模型边界处理为：模型左右两侧限制其X轴、Y轴的位移，模型底部限制其Z方向的位移，顶部施加等效自重荷载。模型共划分38 500个网格[1-3]。沿8205工作面至8209工作面中间煤层中部设置1条监测线用以监测在2个工作面采空后侧向支承压力的大小，数值模型如图2所示。

图2 边界条件及测线布置示意

数值模型初始平衡后，分别对8209工作面、8205工作面进行回采，待工作面稳定后记录2个采空区中间对应8207孤岛工作面位置的侧向支承压力数值。具体两邻近工作面回采后垂直应力和垂直位移分布如图3所示。

分析图3可知，在模型计算平衡之后，在采空区两侧一定距离出现了应力集中现象，而在最靠近采空区边缘的位置出现了一定范围的应力降低区。在沿空掘巷期间，将巷道布置在应力降低区内利于围岩控制。

图3 垂直应力和垂直位移分布云图

根据数值模拟中测线的监测结果，能够进一步得出邻近8205工作面回采完毕后采空区稳定后侧向支承压力，如图4所示。

图4 采空区稳定后侧向支承应力分布

分析图4可以得出，3～5号煤层对应8207孤岛工作面位置原岩应力约为10 MPa，而在8205工作面及8209工作面采空区稳定后，在其采空区边缘位置均出现一定范围的应力降低区，两侧产生的应力降低区范围为10 m。应力峰值分别出现在距离8205采空区边缘37 m以及距离8209采空区边缘34 m位置处，应力峰值大小分别为17.65 MPa和17.37 MPa，应力集中系数分别为1.77和1.74。

综上所述，在8205工作面及8209工作面采空至稳定后，在两采空区边缘位置约10 m范围内出现应力降低区，在该范围内布置巷道将大大改善巷道应力环境。因此，据8207孤岛工作面两巷道设计尺寸，确定8207工作面两巷道的小煤柱宽度为5 m。

3 围岩控制技术

3.1 支护参数计算

综合8207工作面特征及数值模拟结果，确定2207巷沿空掘巷期间采用锚网索支护方案，现对支护方案中的各项参数进行计算，具体如下：

1) 锚杆长度的确定：

L=N(1.1+B/10)

(1)

式中：L为锚杆长度，m；B为巷道宽度，取5.5 m；N为围岩稳定影响系数，取1；计算得出L=1.65 m。结合矿井生产经验，最终确定锚杆采用直径为22 mm、长度为2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆。

2) 锚杆间排距的确定：

D≤0.5L

(2)

式中：D为锚杆间排距，m；其余符号含义同上；计算得出锚杆间排距需小于1.2 m，综合同类型巷道的工程经验，最终确定锚杆间排距为1 000 mm×900 mm。

3) 锚索长度的确定：

L=L1+L2+L3

(3)

式中：L为锚索总长，m；L1为锚固段长度(树脂锚固剂与钢绞线的粘结长度)，取1.5 m；L2为自由段长，取1.4 m；L3为张拉端长，m。计算得出L=3.4 m，即巷道锚索长度需大于3.4 m，结合矿井生产经验，最终设计顶锚索采用6.3 m，帮锚索采用4.3 m，完全满足要求。

4) 锚索间排距及每排数目的确定。根据众多锚网索支护技术的研究结果可知[4-6]，在进行锚索间排距设置时，锚索排距一般≤锚索长度的1/2，结合顶锚索长度为6.3 m，最终确定顶锚索排距为2.7 m。

3.2 支护方案

1) 巷道顶板支护：锚杆规格为D22 mm×2 400 mm，屈服强度不低于500 MPa，每排6根加W型钢带，距巷道两帮250 mm各打1根锚杆，顶角2根锚杆与顶板成15°布置，其余锚杆均垂直顶板布置，间排距为1 000 mm×900 mm，锚杆打设完毕后，采用钢筋网护表，通过W型钢带实现锚杆间的连接，W型钢带为5 200 mm×280 mm×4 mm。顶板锚索规格为D21.8-1×19-6 300 mm钢绞线，每间隔2排锚杆布置1排锚索，锚索间排距为1 000 mm×2 700 mm，锚索均垂直顶板布置，锚索吊JW型高强度钢带及双层网护表(菱形金属网+钢筋网)，JW型钢带为5 200 mm×330 mm×6 mm。两腮布置角锚索，角锚索为排距1 800 mm，D21.8-1×19-5 000 mm钢绞线，与水平成45°夹角，角锚索吊500 mm短节11号工字钢，组合锚索采用D21.8-1×19-8 300 mm钢绞线，1排布置两组组合锚索，每组内的锚索间呈等腰三角形布置，组合锚索间排距为2 000 mm×2 700 mm。

2) 采煤帮支护：锚杆规格型号均同顶板锚杆，间排距为900 mm×900 mm，两帮角锚杆与帮部成15°布置，顶帮角锚杆斜向上打设，底帮角锚杆斜向下打设，其余锚杆均垂直于巷道帮部；巷帮锚索与中间2根锚杆交替布置，锚索规格为D21.8 mm-1×19-4 300 mm，锚索托盘采用高强度球形托盘，规格参数为300 mm×300 mm×14 mm，垂直巷道帮部布置。锚杆配W型钢护板及双层金属网护表，W型钢护板为450 mm×280 mm×4 mm、金属网为双层10号铁丝菱形金属网，网片规格50 mm×50 mm。

3) 煤柱帮支护：锚杆规格参数同顶板锚杆，间排距900 mm×900 mm，两帮角锚杆分别在距顶板和底板400 mm和500 mm的位置处打设，锚杆与帮部成15°夹角，分别斜向上和斜向下打设，其余锚杆均垂直于巷帮布置，锚杆托盘为150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盘。锚杆配W型钢护板及金属网护表，W型钢护板为450 mm×280 mm×4 mm、金属网为双层10号铁丝菱形金属网，网片规格50 mm×50 mm。

巷道支护断面如图5所示。

图5 2207巷支护设计(mm)

4) 锚固长度及预紧力：巷道全断面锚杆均采用树脂锚固剂进行加长锚固，锚杆锚固时采用2根树脂药卷，分别为MSK2335和MSZ2360，锚固力≥190 kN，锚固长度为900 mm，设置全断面锚杆的预紧力矩为400 N·m；巷道全断面锚索采用树脂药卷进行端头锚固，锚固采用3支药卷，2支MSZ2360和1支MSK2335，锚固长度为1 500 mm，锚索锚固力需大于370 kN，锚固长度为1 500 mm，设置锚索预应力≥290 kN。

3.3 效果分析

8207工作面2207巷沿空掘巷期间，设置围岩变形监测站，每间隔50 m设置1个变形监测站，测站紧跟迎头设置，采用十字布点法进行围岩变形观测分析，现选取1号、2号和3号测站前30 d的监测数据，绘制出顶底板移近量和两帮变形量曲线如图6所示。

图6 2207巷掘巷期间围岩变形曲线

分析图6可知，2207巷掘巷期间，在巷道开挖后的12 d内围岩变形速度较快，巷道掘出15 d后，巷道围岩基本达到稳定状态，最终巷道顶底板移近量和两帮移近量的最大值分别为41 mm和52 mm。综合2207巷掘进期间的围岩变形数据可知，巷道现有护巷煤柱宽度和锚网索支护方案下围岩变形量小，满足回采巷道使用要求。

根据8207孤岛工作面的特征，通过数值模拟进行回采巷道护巷煤柱宽度的模拟分析，确定合理的护巷煤柱宽度为5 m，设计2207巷采用锚网索支护，通过理论计算结合工程经验确定支护参数，根据巷道掘进期间围岩变形监测结果可知，巷道在5 m煤柱宽度和锚网索支护方案下，围岩处于稳定状态，满足回采巷道的使用要求。