復(fù)合頂板臨空巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

趙 群，張 鵬

（陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦，陜西 延安 727307）

引言

以黃陵礦業(yè)一號(hào)煤礦1009進(jìn)風(fēng)順槽為研究背景，通過現(xiàn)場實(shí)測的方法，對(duì)1009進(jìn)風(fēng)順槽巷道變形量進(jìn)行現(xiàn)場觀測，結(jié)合理論分析、工業(yè)性試驗(yàn)的方法，對(duì)1009工作面進(jìn)風(fēng)順槽實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，優(yōu)化1009進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)參數(shù)，維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定，確保礦井安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

1009進(jìn)風(fēng)順槽北鄰1009工作面，東接北一進(jìn)風(fēng)大巷，順槽長度2 919 m，巷寬5 m，巷高3 m，巷道斷面積15 m2。巷道基本頂為均厚9.2 m的粉砂巖、細(xì)粒砂巖，直接頂為均厚9.8 m的粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，直接底為均厚8.0 m的泥巖。1009進(jìn)風(fēng)順槽現(xiàn)有支護(hù)形式為頂部錨索梁，采用T140型鋼帶加工，梁長4.6 m，一梁四索，排距1 200 mm，錨索采用Φ17.8 mm×8 300 mm防腐鋼絞線。頂錨桿中間四排間距850 mm，靠兩側(cè)兩排間距900 mm，排距為1 200 mm，6×6矩形布置，采用Φ20 mm×2500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。頂部掛塑鋼網(wǎng)，網(wǎng)孔50 mm×55 mm。幫錨桿間排距均為1 100 mm×1 000 mm，3×3矩形布置，非回采側(cè)（副幫側(cè)）采用Φ20×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配套鋼托板尺寸為200 mm×200 mm×12 mm，回采側(cè)（主幫側(cè)）采用Φ20 mm×2 500 mm玻璃鋼錨桿，除使用配套托盤外，每根錨桿另增加規(guī)格為350 mm×200 mm×50 mm木托板一塊。幫部掛塑鋼網(wǎng)，網(wǎng)孔為50 mm×55 mm。1009進(jìn)風(fēng)順槽巷道布置關(guān)系圖如圖1所示，順槽頂?shù)装鍘r性參數(shù)表如表1所示。

表1 1009進(jìn)風(fēng)順槽頂?shù)装鍘r性參數(shù)表

圖1 1009進(jìn)風(fēng)順槽巷道布置關(guān)系圖

2 巷道變形原因分析

2.1 工程地質(zhì)環(huán)境

1009進(jìn)風(fēng)順槽直接頂為粉砂巖與砂質(zhì)泥巖互層，巖體自身強(qiáng)度較低，巷道圍巖強(qiáng)度在井下潮濕環(huán)境下進(jìn)一步降低，傳統(tǒng)的支護(hù)條件難以保證巷道圍巖穩(wěn)定。

2.2 1008工作面采動(dòng)影響

1009進(jìn)風(fēng)順槽臨近1008工作面采空區(qū)，1008工作面于2021年12月停采，采空區(qū)尚未完全垮落穩(wěn)定，1008工作面開采的殘余支承壓力對(duì)1009工作面進(jìn)風(fēng)順槽影響較大，進(jìn)一步導(dǎo)致1009進(jìn)風(fēng)順槽巷道變形收斂。

2.3 局部巷道支護(hù)失效

1009進(jìn)風(fēng)順槽在掘進(jìn)期間采用“錨桿+錨索+T140型鋼帶+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，巷道掘進(jìn)期間維護(hù)效果尚可，但由于1008工作面采空區(qū)采動(dòng)影響，1009進(jìn)風(fēng)順槽局部出現(xiàn)錨桿破斷、鋼帶擠壓變形現(xiàn)象，局部支護(hù)措施失效，巷道變形嚴(yán)重。

3 數(shù)值模擬研究

針對(duì)1009進(jìn)風(fēng)順槽臨空地質(zhì)特征，采用MIDAS-FLAC3D數(shù)值模擬試驗(yàn)，對(duì)1009進(jìn)風(fēng)順槽巷道變形收斂形態(tài)進(jìn)行模擬，根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，進(jìn)一步提出補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。

3.1 1009進(jìn)風(fēng)順槽回采期間變形特征分析

建立數(shù)值模型如圖2所示。數(shù)值模型尺寸長×寬×高為335 m×300 m×82 m，模型共計(jì)356 755個(gè)單元、401 938個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)數(shù)值模型施加邊界條件，即對(duì)模型的x方向、y方向及模型底板限制位移，在模型頂板施加5 MPa的均布應(yīng)力，分析1008工作面回采期間，1009進(jìn)風(fēng)順槽巷道變形情況。數(shù)值模擬分析結(jié)果如圖3所示。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

圖3 數(shù)值模擬分析結(jié)果圖（Pa）

由圖3可知，1008工作面回采產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力對(duì)1009進(jìn)風(fēng)順槽產(chǎn)生動(dòng)壓影響，巷道兩幫受力明顯，峰值應(yīng)力達(dá)到8.39 MPa，順槽巷幫容易出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。頂板靠煤柱幫側(cè)應(yīng)力積聚明顯，達(dá)到4.5 MPa。由此可推斷，1009進(jìn)風(fēng)順槽頂板靠煤柱幫側(cè)可能出現(xiàn)頂板下沉現(xiàn)象，1009進(jìn)風(fēng)順槽巷道變形嚴(yán)重，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施維護(hù)巷道穩(wěn)定。

3.2 1009進(jìn)風(fēng)順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬分析

對(duì)1009進(jìn)風(fēng)順槽局部巷道變形嚴(yán)重部位進(jìn)行重新建模，模型長×寬×高為15 m×10 m×15 m，模型共計(jì)112 320個(gè)單元、120 939個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)1008工作面回采采動(dòng)應(yīng)力分析結(jié)果，通過提取圍巖應(yīng)力的方式，對(duì)1009進(jìn)風(fēng)順槽施加邊界條件，分析1009進(jìn)風(fēng)順槽局部巷道變形特征，并根據(jù)分析結(jié)果，確定1009進(jìn)風(fēng)順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。巷道變形模擬模型示意圖如圖4所示。

圖4 1009進(jìn)風(fēng)順槽巷道變形模擬模型示意圖

針對(duì)1009進(jìn)風(fēng)順槽受采動(dòng)影響產(chǎn)生的巷道變形，提出采用“T140型鋼帶+金屬網(wǎng)+錨索”聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，鋼帶規(guī)格為T140×3600mm，一梁四索，錨索采用Φ21.8 mm×10 300 mm鋼絞線，錨深10 000 mm，金屬網(wǎng)規(guī)格為Φ6 mm金屬網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為2 m×1 m，網(wǎng)孔尺寸100 mm×100 mm。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后的應(yīng)力分布云圖如圖5所示。

圖5 1009進(jìn)風(fēng)順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)應(yīng)力（Pa）分布云圖

由圖5可知，實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，1009進(jìn)風(fēng)順槽錨索對(duì)巷道頂板發(fā)生下沉的位置產(chǎn)生約束，巷道變形較未實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)之前發(fā)生明顯變化，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案合理。

4 現(xiàn)場實(shí)測研究

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果提出的1009進(jìn)風(fēng)順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，對(duì)1009進(jìn)風(fēng)順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)段進(jìn)行巷道變形觀測，觀測結(jié)果如下頁圖6所示。

由下頁圖6可知，實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)前，1009進(jìn)風(fēng)順槽受1008工作面回采的采動(dòng)應(yīng)力影響，在觀測期內(nèi)，順槽最大頂板下沉量達(dá)到315 mm，巷道最大下沉速度達(dá)到49 mm/d。實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，1009進(jìn)風(fēng)順槽巷道變形速度整體減少。在觀測期內(nèi)，順槽最大頂板下沉量達(dá)到330 mm，最大頂板下沉速度為2 mm/d。巷道實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，取得了良好的應(yīng)用效果。

圖6 1009進(jìn)風(fēng)順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)前后巷道變形量

5 結(jié)論

1）根據(jù)1009進(jìn)風(fēng)順槽變形因素分析，1009進(jìn)風(fēng)順槽巷道變形主要由于巷道地質(zhì)因素及1008采空區(qū)動(dòng)壓影響，采用數(shù)值模擬分析方法分析認(rèn)為，1009進(jìn)風(fēng)順槽應(yīng)力集中區(qū)主要表現(xiàn)在巷道幫部及頂板靠兩幫側(cè)。

2）結(jié)合理論分析及數(shù)值模擬分析結(jié)果，對(duì)1009進(jìn)風(fēng)順槽提出“T140型鋼帶+錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，順槽最大頂板下沉量達(dá)到330 mm，最大頂板下沉速度為2 mm/d。

（編輯：郭萍茹）