深埋綜放面回風(fēng)順槽支護(hù)優(yōu)化分析

李 斌

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)雙柳煤礦， 山西 柳林 033300）

1 工程概況

1.1 工作面概況

某礦井范圍煤炭資源豐富，特別是4號(hào)煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層厚度大，一般厚度20 m左右。402101工作面位于二盤區(qū)，工作面走向長(zhǎng)1 328.65 m，寬179.55 m，面積238 559.107 m2，煤層底板標(biāo)高在655～660 m。工作面設(shè)計(jì)為四條巷道布置，均設(shè)計(jì)為矩形斷面，分別為膠帶輸送機(jī)順槽（5.2 m×3.6 m）、回風(fēng)順槽（5.2m×3.6m）、灌漿泄水巷（4.5m×3 m）、高位抽放巷（2.8 m×2.5 m）。該工作面主采4號(hào)煤層，工作面區(qū)域內(nèi)煤層厚度12～15 m，煤層北厚南薄，屬特厚煤層。該工作面埋藏深度為657～665 m。

1.2 回風(fēng)順槽原支護(hù)方案

402101工作面回風(fēng)巷斷面尺寸寬×高=5.2 m×3.6 m，錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿（Ф22 mm×2 200 mm，間排距800 mm×800 mm）、錨索為高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線（Ф18.96 mm×7 000 mm，排列方式為矩形，間排距1 600 mm×2 400 mm）及鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)形式。

1.3 回風(fēng)順槽破壞特征

由于工作面煤層厚，埋深大，存在較高的構(gòu)造應(yīng)力等地質(zhì)因素，加之工作面采煤方法采用綜采放頂煤采煤法，工作面超前范圍內(nèi)礦壓顯現(xiàn)劇烈，超前影響范圍大，隨著工作面的回采，回風(fēng)順槽支護(hù)體系部分失效、頂板下沉大、片幫嚴(yán)重，兩幫收斂量大，順槽呈非對(duì)稱變形并且多處出現(xiàn)錨桿被拉斷現(xiàn)象，W鋼帶扭曲破壞[1-2]。

2 回風(fēng)順槽加固支護(hù)方案

402101回風(fēng)順槽支護(hù)的原方案基于組合拱理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于其依據(jù)的是地質(zhì)勘察的計(jì)算參數(shù)，由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件發(fā)生變化，特別是水平地應(yīng)力大小發(fā)生變化，原來的支護(hù)方案無法滿足安全生產(chǎn)的需求[3]。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室得到的煤的物理力學(xué)參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)的地應(yīng)力分布規(guī)律、圍巖破壞規(guī)律、巷道變形、圍巖松動(dòng)圈范圍等實(shí)際情況，根據(jù)組合拱理論重新設(shè)計(jì)了支護(hù)加固方案。加固支護(hù)的俯視圖如圖1所示。在原方案中每排錨桿中間交錯(cuò)的打上一排錨桿，使其支護(hù)呈五花型布置，錨桿長(zhǎng)度為2.5 m，其他支護(hù)方式均與原方案相同，如圖2所示。

圖1 新方案俯視圖（單位：mm）

圖2 加固支護(hù)斷面圖

3 加固支護(hù)方案合理性FLAC研究

錨桿支護(hù)中的很重要的作用即為主動(dòng)支護(hù)作用，巖巷道徑向布置的錨桿，不僅可以限制圍巖的徑向位移，而且可以明顯增加巷道周邊的附加抗力。同時(shí)，錨桿能提高錨固區(qū)圍巖的內(nèi)摩擦角，起到限制圍巖徑向位移的作用，因此錨桿支護(hù)的內(nèi)加固作用可以使圍巖變形減小，同時(shí)也大大提高了圍巖的自承能力。

3.1 模擬工況

本節(jié)通過建立與實(shí)際工程條件相應(yīng)的模型，對(duì)加固支護(hù)方案的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)擬，工況為錨索材料為Ф18.96 mm×7 000 mm鋼絞線，間排距為1 600 mm×2 400 mm；頂錨桿采用Ф22 mm×2 200 mm左旋無縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；幫錨桿采用Ф22 mm×2 200 mm左旋無縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；新加頂錨桿采用Ф22 mm×2 500 mm左旋無縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm。

3.2 計(jì)算模型范圍的確定

402101工作面走向長(zhǎng)1 328.65 m，煤層底板標(biāo)高655～660 m。根據(jù)某煤礦綜合柱狀圖，402101工作面埋深約為655 m，為了適當(dāng)簡(jiǎn)化計(jì)算模型，將402101工作面以上620 m的巖層轉(zhuǎn)換為自重應(yīng)力施加在計(jì)算模型的上表面。將巖層適當(dāng)簡(jiǎn)化歸類，得到402101工作面簡(jiǎn)化自重應(yīng)力。

按照圣維南原理，其影響范圍仍有一定的限度。本次模擬模型取定為長(zhǎng)×寬×高=208 m×395 m×75 m，巷道斷面為寬×高=5.2 m×3.6 m。模型的選取以402101回風(fēng)順槽右下角為零點(diǎn)而建立，沿x軸正向240 m，沿x軸負(fù)向20 m；沿y軸正向180 m，沿y軸負(fù)向180 m；沿z軸正向66 m，沿z軸負(fù)向26 m作為模型邊界。

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1 豎向位移分析

由圖3可知，新加錨桿長(zhǎng)度2.5 m的豎向位移云圖，頂板最大下沉量為22.304 mm，底鼓量為19.211 mm?；夭蛇^程中，巷道頂板產(chǎn)生下沉，且頂板中間處下沉量最大，底板出現(xiàn)底鼓。

3.3.2 水平位移分析

由圖4可知，回采過程中，巷道兩幫發(fā)生收斂，且兩幫收斂最大收斂量發(fā)生于巷道兩幫中間。

由以上分析可知，加固支護(hù)方案實(shí)施后，順槽頂板下沉量、底鼓量、巷道兩幫收斂量范圍均滿足安全生產(chǎn)的需要。新設(shè)計(jì)的加固支護(hù)方案合理可行。

圖3 新加錨桿長(zhǎng)度2.5 m豎向位移（m）云圖

圖4 新加錨桿長(zhǎng)度2.5 m水平位移（m）云圖

4 加固支護(hù)方案監(jiān)測(cè)分析

402101工作面回風(fēng)順槽加固支護(hù)方案實(shí)施后，對(duì)回采過程中回風(fēng)順槽的支護(hù)效果進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析，以便及時(shí)掌握回風(fēng)順槽圍巖變形規(guī)律，以及評(píng)價(jià)加固后支護(hù)方案能否滿足402101工作面的正常安全生產(chǎn)[4-5]。

4.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1.1 頂板離層監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

由圖5可知，隨工作面切眼距監(jiān)測(cè)斷面距離逐漸減小。頂板離層主要集中在1.0 m以下。1.5～2.5 m區(qū)段頂板離層量不大。2.5 m以上頂板離層量相對(duì)較小，說明該支護(hù)方案錨桿對(duì)淺部圍巖加固效果良好，錨索對(duì)深部圍巖加固效果顯著。

圖5 不同巖層深度下402101回順頂板離層監(jiān)測(cè)曲線圖

4.1.2 兩幫收斂及頂板下沉監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

由圖6可知，隨著工作面的回采，切眼距監(jiān)測(cè)斷面距離逐漸減小，工作面切眼距監(jiān)測(cè)斷面50～12 m范圍內(nèi)，兩幫收斂量及頂板下沉量增加幅度不大。當(dāng)動(dòng)作面切眼與監(jiān)測(cè)斷面距離小于12 m后，兩幫收斂量及頂板下沉量增加幅度變大。最終收斂量為35.4 mm，頂板下沉量為35.1 mm。頂板下沉量與兩幫收斂量相差不大，且均變化不大，巷道穩(wěn)定。

4.2 支護(hù)效果比較

圖6 兩幫收斂及頂板下沉監(jiān)測(cè)曲線圖

加固支護(hù)方案實(shí)施后，在工作面回采期間，巷道兩幫收斂以及頂板下沉得到了很好的控制，片幫現(xiàn)象很少出現(xiàn)，沒有錨桿或者錨索被拉斷現(xiàn)象出現(xiàn)。與此相反，原方案則頂板下沉嚴(yán)重，網(wǎng)兜現(xiàn)象明顯，巷道兩幫收斂量較大，并伴有錨桿被拉斷現(xiàn)象。由此可見，加固后的支護(hù)方案很好地控制了巷道圍巖變形，保證了正常安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

1）運(yùn)用組合拱理論，結(jié)合實(shí)測(cè)的煤體的力學(xué)參數(shù)和圍巖松動(dòng)圈分布規(guī)律，針對(duì)順槽支護(hù)效果較差段提出了加固支護(hù)方案，運(yùn)用FLAC數(shù)值模擬對(duì)加固支護(hù)方案進(jìn)行了合理性論證，F(xiàn)LAC數(shù)值模擬表明，提出的加固支護(hù)方案合理。

2）制定了402101工作面回風(fēng)順槽圍巖變形監(jiān)測(cè)方案，完成了新的加固支護(hù)方案實(shí)施后的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作。結(jié)果表明，加固支護(hù)方案下，巷道頂板離層量明顯減小，兩幫收斂及頂板下沉也均較原方案小，頂板未出現(xiàn)變形破壞現(xiàn)象，片幫現(xiàn)象很少出現(xiàn)。說明該方案對(duì)圍巖變形起到了很好的控制作用