采動影響下巷道支護參數(shù)的模擬分析及應(yīng)用

張志軍

（潞安集團潞寧煤業(yè)有限責任公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

潞寧煤業(yè)公司侏2#煤層二四采區(qū)位于礦田西南部，地面為中低山區(qū)，24102 工作面位于井田西南部的二四采區(qū)，是二四采區(qū)第一個工作面，上部、下部均為未采動區(qū)域，西部為礦井邊界（未采動部分），東部為二四采區(qū)三條下山。

煤質(zhì)以氣煤，亮煤為主，具有金屬—玻璃光澤，堅硬、性脆，局部煤質(zhì)松軟、破碎，煤層硬度為3.5，傾角3°～7°，24102 工作面平均走向長度為1 855 m，傾向長236 m，可采段煤層厚度3.8 m，預計可采儲量約2.462 08 Mt。煤層頂?shù)装鍘r性及厚度特征見表1。潞寧煤業(yè)公司二四采區(qū)為二二采區(qū)的接替采區(qū)。二二采區(qū)采煤工作面常引起對應(yīng)巷段的大巷圍巖出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象，花費大量的時間和資金去維護、返修。為避免在二四采區(qū)生產(chǎn)期間出現(xiàn)類似情況，本文以二四采區(qū)輔運大巷為背景展開研究。

表1 頂?shù)装鍘r性特征

2 建立三維數(shù)值模型

參考鄰近的二二采區(qū)大巷圍巖破壞情況，巷道變形主要出現(xiàn)在對應(yīng)位置兩翼工作面末采期間，由此可知，采煤工作面采動影響是大巷失穩(wěn)變形的重要因素。為得到能夠抵御采煤工作面超前支承壓力影響的大巷支護方案，采用FLAC3D數(shù)值軟件進行模擬研究[1]，對采煤工作面采動影響下大巷的支護參數(shù)進行優(yōu)化。根據(jù)二四采區(qū)的地質(zhì)條件，并結(jié)合24102 首采工作面的開采技術(shù)條件，建立沿煤層傾向的計算模型，模型邊界條件及模擬方案見圖1。工作面沿模型X軸正方向推進，大巷位于工作面推進方向的前方，工作面采高為3.8 m，大巷寬度為5.0 m，高度為3.6 m，模型底部及四周邊界設(shè)置位移約束，頂面施加5.8 MPa 的垂直應(yīng)力。工作面停采后與大巷間煤柱寬度為30 m。

圖1 數(shù)值模擬研究模型及方案

3 支護方案模擬分析

根據(jù)鄰近二二采區(qū)大巷支護方案，結(jié)合現(xiàn)場實地調(diào)研情況和工程類比經(jīng)驗[2-3]，確定二四采區(qū)輔運大巷頂板支護采用規(guī)格Φ18.9 mm×8 300 mm 的鋼絞線錨索，頂板及兩幫均采用Φ20 mm 的螺紋鋼錨桿，通過數(shù)值模擬對錨桿預緊力、長度、間排、錨索間排距進行優(yōu)選，單一支護參數(shù)發(fā)生變化時，輔運大巷其余支護參數(shù)參考鄰近二二采區(qū)大巷的支護，頂板和兩幫錨桿長度為2 000 mm，間排距為1 000 mm，預緊力為10 kN，頂板每排兩根錨索，排距3000 mm。錨桿預緊力取值范圍為10～20 kN。模擬方案：首先進行輔運大巷的開挖及支護，然后進行24102 工作面的回采，工作面回采完畢后，統(tǒng)計輔運大巷表面位移量。整理得到大巷表面位移量與錨桿預緊力的變化關(guān)系見圖2。

圖2 不同錨桿預緊力條件下巷道表面位移量變化規(guī)律

由圖2 可知：輔運大巷頂板下沉量明顯大于其余部位的變形，巷道底板變形量最??；錨桿預緊力變化對于頂板及兩幫變形量具有明顯影響，對底板底鼓量無明顯影響；錨桿預緊力由10 kN 增大為20 kN，大巷頂板及兩幫變形量顯著減小，錨桿預緊力繼續(xù)增大，大巷表面位移量減小趨勢漸緩。頂板和兩幫錨桿預緊力為20 kN 時，能夠獲得較好的支護效果。查閱相關(guān)文獻可知，錨桿預緊力和預緊扭矩的關(guān)系[4]：

P=M/（KD）

式中：P 為錨桿預緊力，kN；M 為錨桿安裝時施加的扭矩，N·m；D 為錨桿直徑，m；K 為與錨桿螺紋形式、桿徑等相關(guān)的系數(shù)，Φ20 mm 的高強度螺紋鋼K為0.38，錨桿安裝時預緊扭矩應(yīng)大于152 N·m，考慮現(xiàn)場施工等因素，最終確定錨桿預緊扭矩應(yīng)不小于200 N·m。

采用同樣方法對頂板錨桿長度和排距進行分析，錨桿長度為2.0～2.6 m，排距為700～1 000 mm，改變頂板錨桿長度（排距）大巷表面變形量變化規(guī)律見圖3。從圖3（a）可以看出：隨著錨桿長度的增大，大巷表面變形量逐漸減小。錨桿長度由2.0 m增大為2.4 m，巷大巷頂板及兩幫變形量減小顯著，長度增大至2.6 m，大巷表面變形量輕微減小，因此可知，頂板錨桿長度為2.4 m 較合理，同理由圖3（b）可確定頂板錨桿合理排距為800 mm。采用以上方法確定輔運大巷支護參數(shù)： 幫錨桿長度2.4 m，預緊扭矩不小于100 N·m，間排距800 mm，頂板錨索間排距2 000 mm×2 400 mm。

圖3 巷道表面變形量隨頂板錨桿長度及排距變化規(guī)律

4 輔運大巷支護及效果分析

4.1 輔運大巷支護

二四采區(qū)三條大巷平行布置，大巷間隔30 m煤柱，以鄰近24102 工作面的輔運大巷為例，結(jié)合上述數(shù)值模擬研究結(jié)果，其詳細支護情況見圖4。斷面尺寸寬、高為5.2 m、3.6 m；頂板和兩幫錨桿桿體規(guī)格為Φ20 mm×2 400 mm 的螺紋鋼，間排距均為800 mm。每孔錨桿錨固劑采用CK2335 型和Z2360 型樹脂藥卷各一支； 錨桿安裝時預緊扭距不小于200 N·m，兩側(cè)錨桿向巷道外側(cè)傾斜20°布置； 幫錨桿規(guī)格與頂板錨桿相同，錨固劑為一支CK2360 樹脂藥卷，預緊扭距不小于100 N·m，靠近頂角錨桿設(shè)置角錨桿，向上偏斜20°，靠近底板錨桿向下傾斜20°。頂板錨索采用規(guī)格為Φ18.9 mm×L8 300 mm 鋼絞線，同排錨索間距為2 000 mm，排距2 400 mm。

圖4 輔運大巷支護

4.2 支護效果分析

二四采區(qū)輔運大巷采用上述支護方式掘進期間，采用十字交叉法監(jiān)測巷道表面變形量，整理得到圖5。輔運大巷掘進期間，兩幫移近變形最大速率為10.4 mm/d，最大移近量為63 mm，頂?shù)装逡平冃巫畲笏俾蕿?.2 mm/d，最大移近量為54 mm，巷道表面變形速率呈波動性減小，圍巖逐漸趨于穩(wěn)定，支護效果良好。

圖5 巷道表面位移量變化曲線

同樣采用十字交叉法測量輔運大巷在24102 工作面回采前后表面變形量的變化。在24102 工作面采動影響下，輔運大巷頂?shù)装逡平吭龃罅?5 mm，兩幫移近量增大了32 mm，大巷表面變形量很小，不影響其正常使用。

為考察24102 工作面對應(yīng)區(qū)域大巷在采動影響下圍巖的破壞情況，在對應(yīng)巷段內(nèi)采用地質(zhì)雷達進行圍巖松動圈測試，測點布置見圖6。24102 工作面回采結(jié)束后三條大巷圍巖松動圈測試結(jié)果見表2。由表2 可以看出，24102 工作面采動影響后，對應(yīng)區(qū)域三條大巷頂板塑性破壞范圍深度為1.1～1.5 m，兩幫塑性破壞深度為1.1～1.9 m，底板塑性破壞深度為0.65～0.95 m； 頂板和兩幫錨桿長度為2.4 m，大巷圍巖松動圈發(fā)育深度均小于錨桿有效加固的深度，錨桿、錨索具有良好的支護性能，巷道圍巖整體穩(wěn)定性較好。

圖6 大巷圍巖松動圈測點布置

表2 松動圈測試結(jié)果

5 結(jié)語

根據(jù)潞寧煤業(yè)公司二二采區(qū)大巷在工作面采動影響下的破壞特征，結(jié)合二四采區(qū)具體的地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬軟件建立適當?shù)娜S模型，以二四采區(qū)輔運大巷為例，對其支護參數(shù)進行優(yōu)化模擬研究，得到最佳錨桿預緊力、長度、間排距等具體參數(shù)。現(xiàn)場工程應(yīng)用期間，通過現(xiàn)場勘查、監(jiān)測驗證其支護效果，輔運大巷掘進期間，頂?shù)装遄畲笙鄬σ平繛?3 mm，兩幫最大移近量為54 mm，24102 工作面采動影響下，輔運大巷頂?shù)装逡平抗苍黾恿?5 mm，兩幫移近量增加了32 mm，輔運大巷表面變形量較小，不影響其正常使用。圍巖松動圈發(fā)育深度均小于錨桿有效加固的深度，巷道圍巖整體穩(wěn)定性較好，成功解決了采動影響下大巷過度變形的問題。