松散破碎全煤准备巷道围岩控制技术研究

孟 超

（霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿，山西 霍州 031412）

1 工程概况

山西霍州煤电集团腾晖煤业现阶段回采2 号煤层位于山西组下段上部，煤层总厚5.06～5.18 m。三采区回风巷布置于2 号煤层三采区，掘进期间需按顺序依次穿过原海圣、丰鑫源、老大湾、老小湾、小湾沟等5 座小煤窑采掘活动区域的4 采空区：CK2-11 采空区（采空面积206 834 m2）、原海圣主要积水巷道、CK2-8 采空区（采空面积55 074 m2）、CK2-7（采空面积409 206 m2）。三采区回风巷服务三采区回风，设计长度为2173 m，正常掘进期间沿煤层顶板掘进，过采空区、空巷特殊区域以6°上山施工。巷道沿煤层底板布置，顶底板岩层详情见表1。

表1 三采区回风巷顶底板岩层详情

2 三采区回风巷支护及变形现状

三采区回风巷采用锚网喷支护，支护详情见图1（a）。巷道开挖净宽4.8 m，直墙高度1.2 m，半圆拱高2.4 m。

三采区回风巷自2021 年8 月掘进初期，采用十字交叉法监测围岩表面变形情况。1#测点的观测工作从8 月17 日开始，巷道开挖支护完成后表面变形位移量变化曲线如图1（b）所示。巷道开挖0～20 d 范围内，表面变形量持续增大，顶底板及两帮相对移近量已达到140 mm 以上，巷道表面变形较大，且围岩无明显趋于稳定的趋势。表明当前支护强度不足，安全状况欠佳，需采取更为合理有效的支护工艺及方案。

3 支护参数模拟研究及优化

3.1 建立数值模型

为探究不同支护参数变化对于三采区回风巷围岩稳定性的影响，以该巷道工作面地质条件及原支护方案为基础，借助UDEC 数值模拟软件进行研究[1-2]。模型边界尺寸宽、高分别为80 m、115 m，模型底面固定，左右边界设置水平位移限制条件，模型顶面设置为地层的等效载荷10 MPa，岩层采用摩尔-库伦模型。各地层参数详见表2。

表2 三采区回风巷顶底板岩石力学参数表

3.2 锚杆长度优化研究

为确定最为合理的锚杆支护参数，采用单一因素法分别进行锚杆长度、直径、布置方式的模拟研究分析。首先建立不同锚杆长度条件下的模拟方案，锚杆长度设计为1.8～2.4 m，得到塑性区分布情况如图2。“*”表示该单元体正在屈服单元，“×”表示该单元体已经屈服单元。统计各方案条件下围岩塑性破坏深度及表面变形量模拟结果，结果详见表3。

图2 锚杆不同长度条件下围岩塑性区分布

表3 模拟结果统计详表

根据图2 及表3 所示模拟研究结果分析可知，锚杆长度在1.8～2.4 m 范围内变化时，对于巷道顶板岩层控制效果较好，两帮及底板塑性破坏范围较大；锚杆长度由1.8 m 增大到2.0 m 时，围岩塑性破坏范围减小幅度较大，表面变形量减小也相对明显；锚杆长度继续增大为2.2 m、2.4 m，各项数据小幅度渐缓，围岩控制效果提升较弱。综上确定锚杆合理长度为2.0 m，同理得到锚杆直径20 mm、间排距0.8 m。

3.3 底板支护分析

底板支护方案设计：方案一，反底拱支护；方案二，反底拱+锚注，注浆锚杆直径22 mm、长度1.4 m，间排距1.6 m。模拟得到围岩塑性区分布情况如图3。

采用反底拱支护方式时，巷道两帮及底角斜下方围岩塑性破坏深度相对无支护条件下明显减小，底板中部底鼓量为144.3 mm，底鼓量明显减小，但是仍然较大，且底板下方及两帮下方围岩塑性破坏深度和范围较大，不利于巷道围岩的整体稳定；采用反底拱锚注联合支护时，巷道两帮及底角斜下方向位移塑性破坏深度显著减小，底板底鼓量最大为47.5 mm，围岩控制效果明显。由此确定底板采用反底拱锚注联合支护方式。

4 三采区回风巷优化支护方案

结合腾晖煤业以往巷道支护经验及数值模拟研究结果，优化三采区回风巷锚网索+反底拱锚注联合支护方案。顶帮锚杆使用Φ20 mm×2000 mm 高强锚杆，锚杆间排距为0.8 m，每排12 根；锚索使用Φ15.24 mm×7000 mm 预应力钢绞线，“202”布置，锚索间排距为1600 mm×1600 mm。其中锚杆选用拱形高强度托板，规格为150 mm×150 mm×10 mm，配调心球垫及减磨垫圈，每孔配Z2360 及CKb2340 锚固剂各一条；锚索每孔配Z2360 及CKb2340 锚固剂各两条。注浆锚杆直径22 mm、长度1400 mm，间排距1600 mm，注浆材料为高水速凝材料，水灰比为1.5:1。具体支护形式如图4。

图4 三采区回风巷优化支护方案（mm）

5 矿压综合监测

为摸清腾晖煤业三采区回风巷采用优化支护方案掘进期间矿压规律及支护方式的合理性，对三采区回风巷掘进期间的矿压信息、受力状态等数据进行采集并分析[3]，整理得到图5 所示结果。分析可知，巷道开挖15 d 后，围岩形变速度渐渐减小，约25 d后渐渐稳定，顶底板移近量64 mm、两帮移近量58 mm，较原支护减小50%以上。根据图5（b）所示锚杆载荷变化曲线可以看出，在2～3 d 后受力状态明显增加，10 d 之后增速放缓，15 d 之后基本稳定，锚杆载荷稳定在55～65 kN 之间，锚杆和围岩已经共同形成承载结构。综上，三采区回风巷采用优化支护方案掘巷期间围岩稳定性良好，预计能够保障巷道的长久安全使用。

图5 三采区回风巷矿压综合监测结果

6 结语

腾晖煤业三采区回风巷初期掘进期间采用锚网喷支护，巷道围岩变形速度快、持续时间长，支护强度不足。借助UDEC 数值模拟软件建立数值模型，对支护方案进行模拟分析优化，确定锚网索喷支护具体参数，优选底板采用反底拱锚注联合支护方案。针对实施方案进行现场观测，围岩变形量相对于原支护减小50%以上，锚杆工作性能良好，围岩稳定性得到有效控制，设计方案在腾晖煤业得到了成功应用。