徐付軍

（車集煤礦，河南 永城 476600）

1 工程概況

河南永城車集煤礦2611 工作面位于26 采區(qū)南翼中部，東為26 回風下山下段保護煤柱，南為2611 工作面（未采），西為F5 斷層保護煤柱，北為2609 工作面采空區(qū)。工作面主采二2煤層，煤層均厚2.8m，平均傾角為9°。直接頂為泥巖，均厚1.36m；基本頂為細砂巖，均厚8.83m；直接底為砂質(zhì)泥巖，均厚為1.82m；基本底為粉砂巖；均厚11.4m。工作面采用綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。

2611 工作面上巷斷面為5.2×3.2m 的矩形，巷道原有支護采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護。頂板錨桿采用Φ20×2200mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間距不等，排距為1000mm；頂板錨索呈3-0-0-3 布置，垂直于頂板打設，錨索間排距為1500×3000mm。巷道非回采幫支設型號為Φ20×2200mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間、排距為1100×1000mm；回采幫支設型號為Φ27×2000mm 的玻璃鋼錨桿，間排距為1100×1000mm。巷道支護參數(shù)如圖1 所示。巷道在掘進過程中出現(xiàn)兩幫煤體片幫嚴重、兩幫圍巖變形量大等礦壓顯現(xiàn)情況，需對巷道支護方案進行優(yōu)化。

圖1 2611 工作面上巷原有支護斷面圖

2 煤巷片幫機理分析

在考慮頂板下沉影響的基礎上，通過建立深度為l的幫部模型，如圖2 所示，將巷道幫部的受力近似地看做偏心加載。在巷道開挖后，巷道幫部隨著頂板撓度和頂板回轉(zhuǎn)角度的增大，致使在靠近巷道l/2 范圍內(nèi)的煤巖體會受到壓應力的作用，且巷道受到的最大壓應力會出現(xiàn)在巷道表面的位置處。另外，因巷幫為自由面，會使得巷幫在l/2 范圍內(nèi)的圍巖裂隙迅速形成并發(fā)育，進而形成較大的裂隙面，該階段為巷道幫部煤巖體裂隙的形成、裂隙的擴展階段。

圖2 考慮頂板撓度時巷道幫部的受力模型

隨著巷道開挖作業(yè)的進行，巷道頂板的撓度會逐漸增大，在一定范圍內(nèi)巷道幫部的受力會出現(xiàn)持續(xù)增大。當巷道幫部頂角位置處受到的應力大于煤巖體所能承受的最大載荷強度時，此時煤壁邊緣的煤巖體會首先進入塑性變形階段。隨著開挖作業(yè)的進一步進行，裂隙會逐漸加速發(fā)育，此階段為巷道幫部煤巖體裂隙的貫通階段[1-2]。

隨著巷道幫部破碎范圍的加大，幫部應力峰值的轉(zhuǎn)移會使得巷道的等效跨度逐漸增大，此時若不采取有效措施，易致巷道出現(xiàn)“頂板彎曲下沉→撓度增大→巷道幫部偏心受壓、應力集中→巷道兩幫裂隙發(fā)育破壞→頂板承載能力降低→頂板撓度進一步增大→巷道幫部破壞加劇”的惡性循環(huán)。因此，在巷道幫部出現(xiàn)片幫破壞時，應及時采取有效措施控制巷道幫部穩(wěn)定[3-4]。

3 煤巷片幫控制技術(shù)

3.1 控制技術(shù)的確定

頂板錨桿的桿體強度和頂板錨桿預緊力能夠改善并提高幫部破碎煤巖體的殘余強度，進而有效控制巷道幫部的變形。根據(jù)2611 工作面的具體情況，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對巷道頂板錨桿桿體強度和頂板錨桿預緊力對巷道幫部變形的影響進行數(shù)值模擬分析。

（1）頂板錨桿桿體強度的影響

為有效分析頂板錨桿桿體強度對煤巷幫部變形破壞的影響，設置三種數(shù)值模擬方案：① 頂板錨桿采用Φ18 材質(zhì)的HRB335 型錨桿；② 頂板錨桿采用Φ20 材質(zhì)的HRB400 型錨桿；③ 頂板錨桿采用Φ22 材質(zhì)的HRB500 型錨桿。三種方案，巷道幫部均采用Φ20 材質(zhì)的HRB400 型錨桿。根據(jù)此三種模擬方案分別對頂板采用低性能、中等性能和高性能的錨桿的支護進行模擬分析。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出，頂板錨桿在三種性能的支護材料下兩幫移近量如表1 所示，頂錨桿在不同強度下巷幫垂直應力的分布如圖3 所示。

表1 頂板采用不同錨桿桿體下頂板的下沉量

圖3 頂錨桿不同桿體強度下巷幫垂直應力分布

通過分析數(shù)值模擬結(jié)果表1 和圖3 可知，隨著頂板采用的錨桿桿體強度的增大，巷道兩幫的移近量會逐漸減小，巷道幫部在頂板錨桿桿體材質(zhì)較弱時會出現(xiàn)較大程度的應力集中現(xiàn)象，幫部的垂直應力會出現(xiàn)先增大后減小的狀態(tài)，且在幫部應力峰值出現(xiàn)后垂直應力的降低幅度較大。另外，隨著巷道頂板錨桿桿體強度的增大，巷幫煤巖體的垂直應力會出現(xiàn)明顯降低的趨勢，且不會出現(xiàn)幫部垂直應力的峰值狀態(tài)，巷幫的垂直應力會逐漸降低至原巖應力的狀態(tài)，且應力峰值會出現(xiàn)向巷幫深部轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。另外根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，相對于Φ18-HRB335 型頂錨桿，在頂錨桿采用Φ20-HRB400 和Φ22-HRB500 時巷道塑性區(qū)的面積分別減少8.5%和23.6%。

（2）頂板錨桿的預緊力影響

為有效分析頂板錨桿預緊力的大小對巷道幫部變形破壞的影響，設置頂錨桿采用Φ20-HRB400 型錨桿，分別對錨桿預緊力為30kN 和90kN 時巷道幫部的受力狀態(tài)進行分析，設置該兩種錨桿預緊力能夠分別代表弱和中等預緊力下巷道幫部煤巖體的變形破壞特征。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出在頂板錨桿施加不同預緊力下巷道塑性區(qū)域的分布如圖4 所示。

圖4 不同預緊力下圍巖塑性區(qū)域的分布

通過分析圖4 可知，隨著頂板錨桿預緊力的增大，巷道頂板及兩幫圍巖的塑性區(qū)分布會逐漸減小，在只統(tǒng)計底板以上塑性區(qū)的分布時，能夠得出中等預緊力下巷道圍巖的塑性區(qū)面積相對于弱預緊力支護時減少了3.8%。為進一步驗證頂板錨桿預緊力對巷道圍巖塑性區(qū)的影響，對相同材質(zhì)的頂板錨桿施加150kN 的預緊力，研究強預緊力下巷道圍巖的塑性區(qū)分布狀態(tài)。根據(jù)模擬結(jié)果可知，在強預緊力下巷道圍巖的塑性區(qū)分布進一步減小，強預緊力下巷道圍巖的塑性區(qū)分布面積相對于弱預緊力下塑性區(qū)分布面積減少了4.5%。另外，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，在頂板錨桿預緊力為30kN、90kN 和150kN 條件下兩幫的移近量分別為115mm、89mm和68mm。據(jù)此可知，隨著頂板錨桿預緊力的增大，巷道兩幫的移近量逐漸減小，在控制巷道幫部的圍巖變形起到積極作用。

3.2 控制方案設計

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，增加頂板支護材料的強度、增加頂板支護的預緊力能夠降低巷道圍巖的塑性區(qū)分布，減小巷道幫部的變形量，將巷幫的支承應力向巷道深部轉(zhuǎn)移，進而有效地改善巷道幫部的應力環(huán)境。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及巷道煤壁片幫的機理分析，結(jié)合2611 工作面上巷的具體條件，對巷道的支護方案進行優(yōu)化設計。

頂板錨桿型號為Φ21.8mm×4000mm 的柔性錨桿，每排布置4 根，非等間距布置，排距為1000mm，錨固長度為2400mm，預緊力為200kN，錨桿垂直于巷道頂板打設，并配合Φ6mm 的鋼筋網(wǎng)對巷道頂板進行支護。巷道非回采幫錨桿采用型號為Φ20×2200mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間距不等，巷道斷面內(nèi)每排安裝4 根錨桿，排距為1000mm，靠近頂板的錨桿向底板方向傾斜15°安裝，其余錨桿均垂直巷幫安裝，錨桿預緊力不小于200kN；巷道回采幫采用型號為Φ27mm×2000mm的玻璃鋼錨桿配合菱形金屬網(wǎng)進行支護，錨桿間距不等，排距為1000mm。具體2611 工作面上巷優(yōu)化后支護形式如圖5 所示。

圖5 2611 工作面上巷優(yōu)化后的支護參數(shù)

3.3 效果分析

在對2611 工作面上巷的支護參數(shù)優(yōu)化后，通過布置2 個測站對巷道表面位移進行持續(xù)監(jiān)測。測站1 在距離巷道掘進頭10m 的位置處，測站2 與測站1 間隔30m。將巷道表面位移測量所得到的數(shù)據(jù)繪制成變形量—時間的曲線，如圖6 所示。

圖6 巷道圍巖變形量

通過分析圖6 能夠得出巷道圍巖位移量的曲線表現(xiàn)為前期變形快、后期逐漸趨于穩(wěn)定的總體趨勢。在巷道兩幫采用優(yōu)化后支護方案30d 后，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟炕静辉僭鲩L，測站1 與測站2的圍巖變形量基本一致，其中頂?shù)装宓淖畲笠平繛?0mm，兩幫的最大移近量為170mm，通過現(xiàn)場觀測，優(yōu)化后巷道兩幫圍巖未再出現(xiàn)片幫現(xiàn)象；而采用原有支護方案，其圍巖變形量一般兩幫的移近量為1000mm，頂?shù)装宓囊平繛?00mm。據(jù)此可知，優(yōu)化后2611 工作面上巷的支護方案有效地控制了巷道圍巖變形，控制了巷道兩幫片幫的情況。

4 結(jié)論

針對2611 工作面上巷在掘進過程中巷幫易片幫的情況，通過對煤巷片幫的機理進行分析，結(jié)合巷道具體地質(zhì)條件對頂板錨桿的支護參數(shù)對巷幫圍巖的變形破壞情況進行模擬分析，根據(jù)理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果對2611 工作面上巷的支護參數(shù)進行優(yōu)化。優(yōu)化后的支護方案實施后頂?shù)装宓淖畲笠平繛?0mm，兩幫的最大移近量為170mm，有效地控制了巷道兩幫的變形，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。