6#煤大采高回采巷道頂板支護(hù)研究

張國(guó)榮

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司西曲礦，山西 古交 030200）

西山煤電西曲礦6#煤巷道頂板巖層分類較多，各層厚度均較小，且各巖層間交界面摩擦力較小，巖層極易滑落、離層變形等，巷道支護(hù)成為一大難題。針對(duì)這種情況，研究人員以組合梁與組合拱理論[1]為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)研究拱-梁相耦合的共同支護(hù)體系，以6201工作面巷道為研究載體，研究分析最合理的拱-梁支護(hù)參數(shù)并實(shí)施于工程現(xiàn)場(chǎng)中，最終提出該類巷道圍巖的抗變形冒落的組合支護(hù)方法[2-4]。

1 工程概況與數(shù)值建模

5號(hào)煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖，破碎易冒落，靠近煤層有一層0.1～0.4m碳質(zhì)泥巖偽頂，節(jié)理發(fā)育，隨采隨冒?；卷敒榧?xì)粒砂巖，采后5～6個(gè)月冒落，呈周期性來(lái)壓，煤層厚度5.2m，底板為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖，采后無(wú)底鼓現(xiàn)象。6號(hào)煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖，煤層厚度8.5m，節(jié)理發(fā)育，距5號(hào)煤層底板11.2～13.7m，隨采隨冒，頂板較難管理。底板為砂質(zhì)泥巖或泥巖。

按照實(shí)際煤巖特性參數(shù)，擬定數(shù)值計(jì)算模型的尺寸及巖性特點(diǎn)，以礦井實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀為模擬原型，建立的模型中各煤巖層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 大采高巷道頂板圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

2 大采高巷道頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

2.1 數(shù)值建模

結(jié)合西曲礦煤巖力學(xué)特性及賦存情況，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值軟件對(duì)6201工作面巷道圍巖開(kāi)挖及圍巖主動(dòng)支護(hù)參數(shù)擬合計(jì)算，以1:50的比例建立模型尺寸為40×40×10m。圍巖各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，如表1所示。

2.2 支護(hù)方案模擬

方案設(shè)計(jì)結(jié)合西曲礦6#煤實(shí)際工程概況和煤巖力學(xué)特性，設(shè)計(jì)采用兩種對(duì)比方案進(jìn)行優(yōu)選。具體巷道支護(hù)方案如下：

第一種方案：大采高巷道頂板采用錨桿規(guī)格為Ф20×2000mm，巷道煤幫采用的錨桿規(guī)格為Ф16×1600mm，頂、幫錨桿間排距相同，設(shè)計(jì)為800mm；頂板錨索選用的規(guī)格為Ф17.8×8000mm，每個(gè)斷面布置一根獨(dú)錨索，步距為5m；錨固材料采用中速和快速兩種樹(shù)脂錨固劑，錨桿為一根中速、一根快速，錨索為三根中速、一根快速。

第二種方案：大采高巷道頂板采用錨桿規(guī)格為Ф20×2000mm，巷道煤幫采用的錨桿規(guī)格為Ф18×2000mm，頂、幫錨桿間排距相同，設(shè)計(jì)為800mm；頂板錨索選用的規(guī)格為Ф15.24×8000mm，每個(gè)斷面布置兩根錨索，兩根錨索呈八字形布置于巷道頂板中，垂直偏差角度約為20°，步距為6m；錨固材料采用中速和快速兩種樹(shù)脂錨固劑，錨桿為一根中速、一根快速，錨索為三根中速、一根快速。

兩種方案頂板支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1：

圖1 兩種方案巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)圖

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2 第一種方案巷道圍巖屈服破壞分布

對(duì)6#煤工作面巷道支護(hù)第一種方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬計(jì)算大采高巷道圍巖支護(hù)條件下的屈服破壞情況，如圖2所示。

由數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，采用獨(dú)錨索頂板支護(hù)方案，巷道圍巖屈服破壞主要集中在巷道左右兩肩部位置，巷道肩部所受地質(zhì)應(yīng)力較大，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在應(yīng)力集中區(qū)域，巷道圍巖破壞深度約為3.5～4m，最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)移至巷道肩角部位，約為2.7倍原巖應(yīng)力，巷道最大切向應(yīng)力發(fā)生在巷道兩幫部位，約為1.8倍原巖應(yīng)力，巷道圍巖受剪切破壞較嚴(yán)重，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)基本無(wú)法滿足圍巖穩(wěn)定性的要求。

圖3 第二種方案巷道圍巖剪切力分布云圖

對(duì)6#煤工作面巷道支護(hù)第二種方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬計(jì)算大采高巷道圍巖支護(hù)條件下的圍巖所受地質(zhì)應(yīng)力情況，如圖3所示。

模擬大采高巷道圍巖壓力結(jié)果表明，由于改進(jìn)為八字形布置錨索，有效加強(qiáng)了大采高巷道肩角部位圍巖的自承載能力，巷道肩部圍巖破壞深度大大減小，冒落只有部分小塊巖石，說(shuō)明八字形布置錨索能夠有效控制大采高巷道圍巖的穩(wěn)定。采用錨桿-錨索拱梁耦合作用支護(hù)，使得大采高巷道圍巖全斷面屈服破壞深度最大僅為0.4m，巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移至巖體深部，斷面內(nèi)幾乎無(wú)應(yīng)力集中區(qū)域，最大主應(yīng)力約為1.1倍原巖應(yīng)力。同時(shí)大采高巷道斷面受剪切破壞作用較小，巷道基本保持原有的開(kāi)挖斷面形狀，最大剪切應(yīng)力僅為0.85倍原巖應(yīng)力[5]，八字形錨索承載拱與錨桿巖梁共同承載大采高巷道全斷面剪應(yīng)力，有效控制了大采高巷道圍巖的坍塌冒落，圍巖穩(wěn)定性得到大大控制。

3 工程實(shí)踐

通過(guò)分析對(duì)比兩種支護(hù)方案可知，優(yōu)先選用改進(jìn)的八字形錨索組合拱和錨桿組合梁相耦合的支護(hù)方案，能夠有效控制大采高巷道圍巖的穩(wěn)定性。將第二種支護(hù)方案應(yīng)用于6#煤6201工作面大采高巷道支護(hù)中，進(jìn)行井下現(xiàn)場(chǎng)工程監(jiān)測(cè)研究，圖4和圖5分別為采用第二種支護(hù)方案下的大采高巷道圍巖的移動(dòng)變形隨時(shí)間變化曲線和巷道圍巖錨桿支護(hù)載荷隨時(shí)間的變化曲線，工程實(shí)踐連續(xù)監(jiān)測(cè)30d數(shù)據(jù)，結(jié)果分析如下：

如圖4所示，在巷道開(kāi)挖推進(jìn)10d內(nèi)，圍巖移動(dòng)變形幅度較大，約為20mm，占巷道30d總變形量的65.3%。說(shuō)明由于開(kāi)挖擾動(dòng)圍巖，初期圍巖變形大，后期圍巖在耦合支護(hù)作用下保持巷道圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

圖4 巷道圍巖變形（mm）--時(shí)間（d）曲線

圖5 表明在大采高巷道開(kāi)挖初期，原巖應(yīng)力遭到破壞，初期表現(xiàn)為圍巖應(yīng)力的重新分布，急劇上升，7d內(nèi)最大錨桿支護(hù)載荷達(dá)52.5kN，占30d穩(wěn)定后的最大載荷的81.2%，說(shuō)明巷道支護(hù)前期錨桿讓壓適應(yīng)圍巖的開(kāi)挖擾動(dòng)，后期大采高巷道圍巖隨著巷道的繼續(xù)推進(jìn)，始終保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。綜合來(lái)說(shuō)，采用八字形布置錨索聯(lián)合錨桿組合梁耦合支護(hù)能夠保證西曲礦6#煤大采高巷道的穩(wěn)定。

針對(duì)西曲礦6#煤大采高工程實(shí)例，研究6201工作面巷道在不同支護(hù)條件下的巷道穩(wěn)定性，通過(guò)采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的方法，得出以下結(jié)論：

（1）大采高巷道頂板圍巖分類較多，極不穩(wěn)定，巷道在地應(yīng)力的作用下穩(wěn)定性較差，巷道圍巖變形破壞主要發(fā)生在易形成應(yīng)力集中的區(qū)域，巷道肩角圍巖穩(wěn)定性控制難度大，主要是因?yàn)轫敯鍘r層分類較多且厚度較小。

（2）采用八字形頂錨索布置聯(lián)合錨桿組合梁共同支護(hù)大采高巷道圍巖，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算研究和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際監(jiān)測(cè)研究，該方案取得了較好的支護(hù)成效，巷道圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制，為煤礦安全采掘和生產(chǎn)提供了保證。

圖5 巷道圍巖支護(hù)載荷（kN）--時(shí)間（d）曲線