玉溪煤礦1301 工作面回風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì)研究

馬 偉

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司，山西 晉城 048000）

煤礦生產(chǎn)過程中工作面回風(fēng)順槽擔(dān)負(fù)著回風(fēng)、人員撤離等重要任務(wù)，回風(fēng)順槽的安全性影響著采區(qū)的正常生產(chǎn)[1-3]。在工作面圍巖力學(xué)性質(zhì)及完整性較差時(shí)，若采用的支護(hù)方案不合理，工作面巷道的頂板安全難以得到保證，嚴(yán)重威脅工作面的生產(chǎn)。因此，有必要對(duì)軟弱圍巖條件下的工作面回風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，保證工作面巷道的頂板安全[4-5]。

1 工程概況

山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦1301 工作面位于第一盤區(qū)內(nèi)，開采3#煤層。3#煤層屬緩傾斜煤層，平均厚度5.85 m，含有多層夾矸。1301 工作面巷道直接頂以砂質(zhì)泥巖為主，圍巖穩(wěn)定性較差，支護(hù)較為困難。工作面巷道布置平面圖如圖1。

圖1 1301 工作面巷道布置平面圖

2 巷道圍巖基本性質(zhì)

2.1 巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

在對(duì)1301 工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)前，對(duì)圍巖的基本物理力學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試范圍是玉溪煤礦1301 工作面3#煤層及頂板（約15 m 范圍）、底板（約8 m 范圍）的圍巖。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣，共獲得3#煤及頂?shù)装鍘r芯近50 m，并運(yùn)至巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。將巖芯在切割機(jī)上按照試驗(yàn)規(guī)范制作成標(biāo)準(zhǔn)巖樣，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過開展單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)及抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，來確定圍巖的基本力學(xué)性質(zhì)。單軸抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)共采用巖樣94 個(gè)，其中抗拉試驗(yàn)32 個(gè)，抗壓試驗(yàn)26 個(gè)，抗剪試驗(yàn)36 個(gè)。試驗(yàn)過程中部分巖樣的破壞模式如圖2，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

由圖2 和表1 可知，巖樣在單軸抗壓和巴西劈裂試驗(yàn)中的破壞模式主要為張拉破壞，裂紋沿軸向加載方向發(fā)展。頂?shù)装鍘r層中泥巖抗壓強(qiáng)度最低，最小值為31 MPa，中粒砂巖抗壓強(qiáng)度最高，最大值可達(dá)107.82 MPa。巖層的抗拉強(qiáng)度均較小，抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的4～20 倍，變化范圍較大。

2.2 頂板巖層鉆孔窺視

為充分了解圍巖構(gòu)造和完整性，在1301 工作面輔助運(yùn)輸巷道第十二聯(lián)絡(luò)巷頂?shù)装宀贾勉@孔，并采用鉆孔窺視儀進(jìn)行窺視，窺視結(jié)果如下。

距孔口2.7 m 范圍內(nèi)為煤層，2.7～2.95 m 為過渡性夾矸，煤層范圍內(nèi)傾斜裂隙和水平裂隙發(fā)育較多且明顯，局部較破碎。距孔口2.95～3.2 m 范圍為層狀裂隙發(fā)育明顯的泥巖，距孔口3.2～5.1 m 范圍為泥巖與中細(xì)砂巖互層狀結(jié)構(gòu)，發(fā)育有明顯的緩波狀層理，但整體較完整。距孔口5.1～8.3 m 范圍內(nèi)為結(jié)構(gòu)完整的中～細(xì)粒砂巖，局部發(fā)育有緩波狀層理，未見明顯的裂隙發(fā)育。距孔口8.3～18.2 m 范圍為黑色泥巖，局部裂隙發(fā)育明顯。距孔口8.27～8.95 m范圍發(fā)育有數(shù)條較大的傾斜裂隙。距孔口9.25～9.355 m、9.6～9.85 m、11.35～11.65 m、12.65～12.85 m 范圍內(nèi)破碎較為明顯。距孔口10.9～11.25 m 范圍內(nèi)發(fā)育有一條波狀裂隙。距孔口18.2～18.25 m 范圍為過渡性黑色巖層。距孔口18.25～18.4 m 為2#煤層。距孔口18.4～19.98 m 范圍為一層具有波狀層理的灰黑色泥巖，其中19.25～19.4 m 范圍破碎嚴(yán)重。距孔口19.98～20.03 m 范圍為過渡性巖層，黑色，破碎嚴(yán)重。距孔口20.03～21.53 m 范圍為比較完整的灰黑色泥巖，波狀層理發(fā)育明顯。

從室內(nèi)物理力學(xué)特性試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視試驗(yàn)的結(jié)果分析可知，1301 工作面回風(fēng)順槽頂板完整性較差，受采動(dòng)影響和風(fēng)化作用，節(jié)理、裂隙較為發(fā)育。需要說明的是，由于分析的巖芯量有限，僅能反映局部的巖性，故試驗(yàn)得出的3#煤層及頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)，只能作為1301 工作面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。當(dāng)巷道巖性、圍巖結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力發(fā)生較大變化時(shí)，應(yīng)對(duì)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行重新測(cè)定。

3 回風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)1301 工作面圍巖力學(xué)特性及分類，結(jié)合1301 工作面實(shí)際地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，決定1301 工作面回風(fēng)順槽采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁”的聯(lián)合支護(hù)方案。支護(hù)斷面圖如圖3，具體支護(hù)參數(shù)見表2 及表3。

圖3 支護(hù)斷面圖

表2 回風(fēng)順槽頂板錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)

表3 回風(fēng)順槽巷幫錨桿支護(hù)參數(shù)

4 支護(hù)效果

為考察“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁”聯(lián)合支護(hù)方案的支護(hù)效果，在FLAC3D中建立數(shù)值模擬模型，共劃分33 360 個(gè)單元。經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算得到回風(fēng)順槽的垂直應(yīng)力云圖和垂直位移云圖如圖4。

分析圖4 可知，垂直應(yīng)力主要分布在巷道兩幫且靠近巷道圍巖表面，最大應(yīng)力集中區(qū)分布范圍較小，巷道的垂直位移主要發(fā)生在巷道頂板，位移最大量約為350 mm?？梢姴捎迷O(shè)計(jì)的聯(lián)合支護(hù)方案，1301 回風(fēng)順槽圍巖應(yīng)力分布、圍巖垂直位移量在可控范圍內(nèi)，可有效保證巷道頂板圍巖安全。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)1301 工作面圍巖穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，開展了室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，1301 工作面回風(fēng)順槽頂板完整性較差，受采動(dòng)影響和風(fēng)化作用，節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，支護(hù)較為困難。

（2）基于1301 工作面圍巖力學(xué)特性及分類，決定采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁”的聯(lián)合支護(hù)方案，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在FLAC3D中建立了有限元模型。分析表明，采用聯(lián)合支護(hù)方案后，巷道最大應(yīng)力集中區(qū)分布范圍較小，且巷道垂直位移最大量約為350 mm，所采用的聯(lián)合支護(hù)方案有效改善了圍巖應(yīng)力分布和變形量。

圖4 1301 回風(fēng)順槽聯(lián)合支護(hù)方案數(shù)值模擬結(jié)果