西溝煤業(yè)3513運輸順槽在采動影響下圍巖控制技術(shù)研究

張燕沙

（山西陽城陽泰集團西溝煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048100）

1 工程概況

山西陽城陽泰集團西溝煤業(yè)3513工作面位于陽邑村東部，地表為低山丘陵區(qū)，地面標(biāo)高在＋713～＋760m之間，地表無水體，同時地質(zhì)構(gòu)造簡單，無大的斷層、褶曲、陷落柱，3513工作面內(nèi)煤層厚度在3m左右，煤層傾角為3～6o，賦存較穩(wěn)定，為近水平煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單～較簡單，煤體顏色呈現(xiàn)黑色～灰黑色，煤質(zhì)屬于光亮型煤，總體上呈現(xiàn)出條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，內(nèi)生裂隙較少，為特低灰～低灰、特低硫、高熱值之無煙煤。礦井水文地質(zhì)類型為中等類型，偽頂：其偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚約0～0.2m。直接頂板巖性呈現(xiàn)為黑色泥巖或粉砂巖，分選良好，含有泥巖包裹體，老頂：中—細(xì)粒砂巖，層位不穩(wěn)定，一般情況下，維持很大的懸露面積，不隨直接頂一起垮落，只能發(fā)生緩慢下沉，當(dāng)懸露較大面積后才能自行垮落，厚3.53～17.7m。底板：粉砂質(zhì)泥巖，較穩(wěn)定，厚約1.83m。其頂?shù)装寤咎卣饕姳?，3513運輸順槽位于3500采區(qū)運輸大巷536m處北側(cè)位置，掘進期間沿頂板施工，在工作面回采階段順槽巷道圍巖變形嚴(yán)重，出現(xiàn)了頂板下沉、兩幫突出等問題。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 運輸順槽原先支護方式及破壞特征

2.1 3513運輸順槽巷原支護方式：

礦方通過錨桿以及錨索的聯(lián)合方式對回采巷道進行支護，頂板采用Φ20×2000mm的螺紋鋼錨桿，間排距1200×900mm，另外附加上Φ16×6000mm的礦用錨索，間排距2000×1800mm，長6m，幫部采用Φ20×1800mm的螺紋鋼錨桿，間排距1200×900mm，并且與水平線之間的夾角為10°，其余與巷道垂直布置。

2.2 運輸順槽變形情況監(jiān)測[1]

為了對巷道的變形情況進行詳細(xì)了解，礦方在工作面前方巷道進行了現(xiàn)場監(jiān)測，實驗段巷道為從開切眼向前至100m處，每隔25m布置共布置5個測站，觀測儀器采用圍巖位移監(jiān)測儀進行測量，本次觀測采用十字布點法觀測巷道變形情況，觀測完成后通過對數(shù)據(jù)進行分析后得出圖1圍巖變形曲線圖。

圖1 圍巖監(jiān)測曲線圖

觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)整個觀測持續(xù)2個月，巷道的變形量一直處于增長過程，在觀測結(jié)束時頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟口呌诜€(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装灞O(jiān)測最終所測數(shù)值為397mm，而兩幫監(jiān)測最終所測數(shù)值為303mm，巷道變形較為嚴(yán)重，影響到了煤礦的安全生產(chǎn)。

2.3 機理分析

為了驗證巷道的變形原因，礦方在試驗段巷道內(nèi)采用離層監(jiān)測儀分別對巷道頂板以及兩幫進行監(jiān)測，布置6臺儀器分為2組，每組各3臺儀器，其中1測站位于工作面前方30m，二測站位于工作面前方60m，淺部基點在2m左右，深部基點在7m左右，并用來實時監(jiān)測不同位置的離層量，在對實驗段巷道進行了離層觀測后，通過整理數(shù)據(jù)得出了圖3。

整個觀測持續(xù)50天，觀察圖2（a）1測站離層曲線可以看出深基點離層量穩(wěn)定在85～90mm之間，淺部基點離層量定格在55mm，從圖2(b)可以看出二測站深部與淺部基點最終離層量分別為61mm以及48mm，均小于同時期一測站離層量，數(shù)據(jù)表明在超前動壓影響下距離工作面越近圍巖內(nèi)部離層變形越大，而且主要發(fā)生在2m～7m的范圍內(nèi)，進一步說明了錨桿與錨索支護只是在圍巖淺部形成承載層，而圍巖深部卻無法得到足夠的承載力，離層量相對較大，因此需要補強支護。

圖2 離層觀測曲線

2.4 巷道返修方案工程布置

3513運輸順槽斷面形狀呈現(xiàn)為矩形，礦方根據(jù)過往經(jīng)驗[3-4]以及現(xiàn)場資料決定采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)來對巷道進行補強支護，其中頂板支護方式在原先的基礎(chǔ)上加設(shè)金屬網(wǎng)，另外在原先所選頂錨桿的基礎(chǔ)上對支護參數(shù)進行了優(yōu)化，其中直徑與長度依然為20×2000mm，材質(zhì)依然為螺紋鋼，但是改變原先間排距為800×900mm，通過減小錨桿間的距離來增加支護強度，并增設(shè)樹脂錨固，而頂錨索是在原先基礎(chǔ)上對錨索直徑進行了提升，由原先的16mm增加為18mm，長度由原先長度6m加長為8m，錨索之間也通過加密提高錨固強度，間距由2000mm改為1600mm，排距沒有變化，仍為1800mm，由原先頂板兩錨索增設(shè)為三錨索布置，樹脂錨固，及時支設(shè)，嚴(yán)禁滯后，最后在頂板搭設(shè)長4500mm，寬1000mm的菱形金屬網(wǎng)。

圖3 3513運輸順槽補強支護設(shè)計圖

巷幫的支護方式為兩幫各布置4根錨桿，左幫錨桿所用材料為玻璃鋼，強度高可以對左幫起到足夠的支撐作用，右?guī)湾^桿選用成本較低一些的螺紋鋼錨桿即可，兩幫所選錨桿規(guī)格直徑與長度沒有發(fā)生變化，直徑和長度仍為20×1800mm，將原先間距1200mm改為800mm，排距沒有發(fā)生變化仍為900mm，樹脂錨固，靠近頂?shù)装逦恢玫腻^桿與水平線之間的夾角為10°，其余與巷道垂直布置，最后在左右兩幫使用矩形金屬網(wǎng)：長2700mm、寬1000mm，搭接長度為100mm，詳細(xì)支護方案可見3513運輸順槽補強支護設(shè)計圖。

3 優(yōu)化方案檢驗

3.1 數(shù)值模擬

礦方為了進一步確定補強優(yōu)化后巷道的穩(wěn)定性，礦方應(yīng)用FLAC3D軟件[2]對3513工作面運輸順槽進行了建模，并對原支護以及補強后的方案進行了模擬，分別得到了補強前后的圍巖位移云圖。

圖4 水平方向圍巖位移云圖

圖5 垂直方向巷道圍巖位移云圖

在原先的支護方式下，頂?shù)装遄冃瘟颗c左右兩幫的變形在圖形上都表現(xiàn)出不對稱的特點，從圖上紅色區(qū)域可以看出巷道左幫圍巖幫部變形量突出明顯，在補強后左幫紅色區(qū)域的縮減也正說明了幫部移進量的縮減，從數(shù)據(jù)上變現(xiàn)為從297.8mm降為了104.9mm，優(yōu)化幅度為64.5%，另外可以看出在采用補強后的方案后，垂直方向上頂板灰色區(qū)域可以明顯看出其范圍的縮減，數(shù)據(jù)表現(xiàn)為從原先的392.1mm降為119.3mm，優(yōu)化幅度為69.6%，而底板的變形量從346.7mm降為了121.7mm，優(yōu)化幅度為64.8%，綜上分析可以看出其中在采用補強后的支護方案后，底板變形量為119.3mm，底板變形量為121.7mm，幫部變形量為104.9mm，優(yōu)化幅度都在60%以上，表明圍巖控制效果良好。

3.2 工業(yè)性實驗

為了對補強后的運輸順槽巷道的變形情況進行可靠性分析，礦方在運輸順槽的從開切眼向前100m內(nèi)巷道進行了實地的觀測，每隔20m布置一個測站，共5個測站每隔通過整理數(shù)據(jù)得到圖6。

圖6 圍巖變形曲線以及變形速率圖

通過對圖6的曲線圖進行分析后可以發(fā)現(xiàn)巷道在觀測前期增速較快，頂板增長速率最大達到了15mm/d，而兩幫最大增長速率為12.5mm/d，而隨著時間對推移可以發(fā)現(xiàn)在后續(xù)階段巷道變形逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，增長速率逐漸趨于0mm/d，從變形曲線圖可以看出頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?78mm，而兩幫最大變形量為149mm，可以發(fā)現(xiàn)分別降低了約55.1%以及50.8%，補強后優(yōu)化效果顯著，圍巖變形量得到了控制，從而可以確保煤礦的安全生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

山西陽城陽泰集團西溝煤業(yè)3513工作面運輸順槽在回采階段發(fā)生圍巖變形量較大的情況，影響了3513工作面的安全回采，為了了解圍巖變形的機理，礦方通過對巷道圍巖進行現(xiàn)場實測后得出圍巖變形段較大的原因是在超前動壓影響下原先支護方案不能夠?qū)鷰r深部提供足夠的支護強度，因此礦方根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗以及巷道實際情況確定了錨桿+錨索+金屬網(wǎng)的補強優(yōu)化方案，基于FLAC3D礦方對3513工作面運輸順槽進行了建模，得出優(yōu)化后圍巖控制效果明顯，后又通過現(xiàn)場實測得出了頂?shù)装遄冃瘟繛?78mm，而兩幫變形量為149mm，相比優(yōu)化前分別降低了約55.1%以及50.8%，圍巖控制效果良好，工作面得以安全回采。