8220 孤岛工作面内错尾巷强化支护与现场应用

杜晓欢

（晋能控股集团宏泰公司，山西 大同 037000）

晋能控股集团塔山矿8220 工作面属于孤岛综放工作面，开采中运输顺槽和回风顺槽受强烈采动影响，采用传统的支护手段，该工作面巷道处于变形-修复-变形的恶性循环中[1]。因此，急需对8220 工作面内错尾巷进行强化支护，并对其效果进行综合评估。

1 8220 工作面内错尾巷支护现状分析

8220 工作面内错尾巷的断面形状为矩形，内错尾巷前段的高度为2.2 m，宽度为4.0 m，内错尾巷后段的高度为2.2 m，宽度为3.1 m，采用锚杆+锚索联合支护的方式，支护效果如图1。

图1 内错尾巷支护现状（mm）

内错尾巷顶板采用直径为20 mm、长度为2000 mm 的螺纹钢锚杆，锚杆间排距为1800 mm×800 mm，每排分别布置3 根锚杆；采用直径为21.6 mm、长度为5300 mm 的钢绞线，锚索间排距为1800 mm×800 mm，每排分别布置2 根锚索；内错巷两帮采用直径为20 mm、长度为2000 mm 的圆钢锚杆进行支护，锚杆间排距为1000 mm×800 mm。

由于8220 工作面属于孤岛工作面，在当前支护状态下，8220 工作面顺槽围岩变形量大、变形速度较快、四周来压明显[2]。据现场观测结果，8220工作面顺槽在实际开采中受到采动的影响，顶板最大下沉量可达0.5 m，底板最大底鼓量可达1.0 m，两帮移近量平均在0.8 m 以上，该工作面巷道变形最严重的时候出现了顶底板的闭合情况[3]。

2 8220 工作面内错尾巷强化支护设计

综合对8220 工作面内错尾巷当前支护参数下巷道围岩的变形特征以及原因分析的基础上，拟通过采用高强度混凝土支护将顶板的压力直接传递至底板，从而减小对两帮的承载[4]。

2.1 混凝土支护承载能力核算

根据8220 工作面现场情况，要求混凝土支柱承受的最大载荷不得小于式（1）计算结果：

式中：γ为8220 工作面内错尾巷顶板的岩石容重，取值为25 kN/m3；h为8220 工作面内错尾巷顶板的离层厚度，取值为7.8 m；b为8220 工作面内错尾巷的平均跨度，取值为2.4 m。

将上述参数代入式（1）中，同时考虑到1.5 倍的安全系数，要求混凝土支柱所承受的最大载荷不得小于1852 kN×1.5=2808 kN。

2.2 混凝土支柱承载面积的确定

采用圆柱形混凝土支柱对8220 工作面内错巷进行强化支护。根据现场实际情况，预估算出圆柱形混凝土支柱的半径在0.15～0.3 m 之间。

分别对圆柱形混凝土支柱半径为0.25 m、0.26 m、0.27 m、0.28 m、0.29 m 和0.30 m 在相同载荷作用下的承载能力进行对比，仿真结果如图2 所示。

图2 不同半径混凝土支柱的承载效果

（1）当半径为0.25 m 时，混凝土支柱在离层顶板的作用下出现了纵横交错的裂纹且相互贯通，失去承载能力。

（2）当半径为0.26 m、0.27 m 和0.28 m 时，混凝土支柱在离层顶板的作用下出现了纵横交错的裂纹且相互贯通，混凝土支柱的强度明显下降，几乎失去承载能力。

（3）当半径为0.29 m 时，混凝土支柱在离层顶板的作用下出现了纵横交错的裂纹且相互贯通，混凝土支柱的强度下降，几乎失去承载能力。

（4）当半径为0.30 m 时，混凝土支护内部未出现裂纹，具备足够的承载能力。

综上所述，最终确定混凝土支柱的半径不得小于0.30 m。根据8220 工作面内错巷的高度，确定混凝土支柱高度为2.2 m。

3 强化支护效果

3.1 强化支护数值模拟

（1）数值模拟仿真模型建立。根据8220 工作面的现场情况，基于FLAC3D软件构建内错尾巷工作面模型[6]，如图3。

图3 内错尾巷数值模拟仿真模型

以图3 所构建的数值模拟仿真模型为基础，将整个模型划分为487 200 个单元，其中包含有511 830 个节点。根据8220 工作面的现场情况，为模型施加15 MPa 的均布载荷为上边界；下边界取u=v=0；左右边界为单约束边界，其中u=0，v≠0[4]。对该工作面内错尾巷的围岩参数在模型中进行设置，包括容重24 000 N/m3、弹性模量5.04 GPa、泊松比0.204、内摩擦角30°、抗拉强度60 MPa 等[7]。

（2）数值模拟仿真结果分析。基于图3 建立的内错巷数值模拟仿真模型，对采用强化支护前后工作面内错尾巷的变形情况进行对比，对比结果见表1。

如表1 所示，在原支护方案下对应顶底板移近量为1210 mm，左右两帮移近量为650 mm。采用强化支护措施后，顶底板移近量仅为420 mm，较原支护方案减少65%；两帮移近量仅为260 mm，较原支护方案减少60%。

表1 强化支护手段实施前后的内错尾巷的变形对比

3.2 强化支护现场应用

将所设计的混凝土支柱强化支护措施在8220工作面实施后[8]，在内错尾巷内布置4 个监测点对巷道的实际变形情况进行监测。其中，距离工作面开切眼600 m 的位置布置1#监测点，在距离1#监测点17.6 m 的位置布置2#监测点，在距离1#监测点31.2 m 的位置布置3#监测点，在距离1#监测点51.2 m 的位置布置4#监测点。以1#监测点为例，在开采期间，随着工作面的推进对应顶底板和两帮移近量监测结果如图4。

图4 1#监测点顶底板及两帮移近量随工作面推进的变化

综合对2#、3#以及4#监测点顶底板和两帮移近量数据分析，可以得出：对内错尾巷进行强化支护后，各监测点断面收缩率较原有支护手段减少26%，并且混凝土支护未插入底板中。

4 结语

针对晋能控股集团塔山矿8220 孤岛工作面在开采期间受到相邻工作面采动的影响，当前支护手段不足以对围岩进行有效控制，导致内错尾巷围岩稳定性差，采用混凝土支柱对原内错巷进行强化支护，总结如下：

（1）8220 工作面在实际开采中受到采动的影响，顶板最大下沉量可达0.5 m，底板最大底鼓量可达1.0 m，两帮移近量平均在0.8 m 以上。

（2）确定混凝土支柱的半径为0.30 m，混凝土支柱高度为2.2 m。

（3）对工作面进行强化支护后，经数值模拟分析：混凝土支柱强化支护下，顶底板移近量较原支护方案减少65%，两帮移近量较原支护方案减少60%。

（4）实践表明，混凝土支柱强化支护后，收缩率较原有支护手段减少26%，并且工作面未出现底鼓现象，混凝土支护未插入底板中。