谢志强

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司赵庄煤业，山西 长治 046600）

矿井瓦斯事故作为制约矿井安全生产的重要危害之一，在煤矿五大灾害中位居首位[1]。由于瓦斯浓度过高会造成瓦斯积聚，严重时甚至引发瓦斯爆炸，在治理瓦斯时，常采用高位巷与底抽巷施工穿层钻孔进行瓦斯抽采[2]，高位巷和底抽巷在服务期间的稳定性极为重要。为此，许多工程人员经过现场经验，取得了一定的成果[3-4]，但是，对于底抽巷的巷道围岩稳定性特征分析研究较少。本文以2319工作面2#底抽巷为研究背景，分析在采动影响下的围岩变形特征，并给出合理的巷道支护方案。

1 工程背景

赵庄煤矿2319 工作面开采的3#煤层赋存稳定，平均厚度2.9 m，瓦斯涌出量为0.94 m3/t。为对该工作面进行瓦斯治理，设计两条底抽巷。2#底抽巷长961.6 m，矩形断面，净宽4.0 m，净高3.1 m，净断面积12.4 m2。巷道顶底板岩性见表1。1#底抽巷支护方式为锚网索联合支护，顶板选用规格为Ф18 mm×1800 mm 高强锚杆，间排距为1000 mm×1000 mm，采用2 支MSCK2350 树脂药卷锚固；锚索采用Ф15.24 mm、长度4500 mm 的7 股低松弛钢绞线，每排3 根，间距为2600 mm。两帮采用Ф18 mm×1600 mm 的圆钢锚杆，间排距为1300 mm×1000 mm；顶板与两帮都采用LW10/70-1450×4500 金属网，网孔规格70 mm×70 mm，网片规格为4500 mm×1450 mm。

该巷因受采动影响，在服务期间，巷道整体变形严重，锚杆、锚索脱落，冒顶事故时有发生。为了使2#底抽巷安全有效地服务该工作面，需对该底抽巷进行合理方案设计。

表1 巷道顶底板岩性

图1 2319 巷现场调研图

2 巷道破坏原因

（1）高地应力

为了获取实际的地质力学参数，在2319 工作面2#底抽巷进行了2 组钻孔地应力测试试验。测点1 处最大、最小水平主应力分别为16.08 MPa 和9.45 MPa，垂直主应力为11.36 MPa；测点2 处最大、最小水平主应力分别为12.58 MPa、8.04 MPa，垂直主应力为11.12 MPa。在巷道围岩中水平主应力占主导位置，垂直应力次之。当水平主应力与垂直主应力差值较大时，巷道会容易发生剪切破坏。同时，再加上2319 工作面采动的影响，巷道掘进在双重扰动的应力下，围岩应力提高至原来的两倍左右，高应力集中致使巷道破坏。根据1#底抽巷发生的锚杆、锚索等支护体失效现象，说明原支护参数下锚杆的锚固力150 N·m 及锚索的预紧力200 N·m不足以满足支护需要。原岩应力高、支护参数不合理及临近采动影响是巷道围岩变形破坏的主要原因。

（2）支护体失效

实际调研情况能够看出，1#底抽巷在使用期间，巷道局部锚杆脱落、金属网断开，推测此时在巷道内部的支护体已局部失效，巷道处于开放支护状态，发生大面积变形破坏。

3 巷道围岩稳定性分析

3.1 数值模型建立

根据2319 工作面2#底抽巷实际地质条件，适当简化模型，建立模型尺寸为120 m×60 m×80 m，根据研究要求划分6 类大小不同的单元，共28 900个模拟单元。3#煤层顶底板力学参数见表2。

表2 3#煤层顶底板力学参数表

数值模拟设定在底板表面处完全约束，对模型四周施加水平约束，同时在模型上表面施加固定载荷以模拟未建模的岩层对模型施加的重力，定义模型本构关系为莫尔-库伦本构关系，数值模拟模型图如图2。

图2 数值计算模型

3.2 模拟结果分析

2319 底抽巷的应力分布情况随2319 工作面的推进不断升高。当2319 底抽巷巷道变形趋于稳定时，对巷道围岩应力情况进行监测，2319 底抽巷巷道变形量如图3。由图3 可知，2319 底抽巷巷道顶板下沉量较大，达到183.5 mm，底板围岩变形量为158.7 mm。

图3 垂直位移分布云图

随着2319 工作的回采，2319 工作面及2319 轨道巷应力发生较大变化，出现明显的应力降低区，造成了区域内的围岩破坏，同时2319 工作面煤体及顶底板发生应力集中，应力分布云图如图4。由图4 可知，2319 底抽巷处于应力集中区与应力降低区的交接位置，此时应力已开始逐渐减弱，顶板稳定性良好，顶板围岩应力为11.5 MPa，巷道整体围岩应力较大，且巷道左右两侧的应力基本呈对称分布，应力升高区主要集中在巷道顶板处及巷道底角处，对巷道产生了一定程度的破坏，此时的局部支护体已失效。

图4 巷道垂直应力云图

4 巷道支护方案设计

通过巷道围岩变形和垂向应力分析可知，2319底抽巷首先破坏变形的位置是顶板，其次是两帮，垂直应力区间值为13～19 MPa。巷道采用锚、网、梁、索、联合支护方式。

4.1 顶板支护

采用Φ22#左旋无纵筋螺纹钢、长2400 mm的锚杆，杆尾螺纹为M24，配套使用调心球垫及减摩垫，强度不低于500 MPa，锚杆间排距为900 mm×900 mm，预紧扭矩不低于280 N·m，且不 超 过350 N·m，采 用2 支 规 格 为MSK2335 和MSZ2360 树脂药卷进行锚固，钻头直径为28 mm，钻孔直径为30 mm；托盘采用拱形高强度托盘，托盘规格为150 mm×150 mm×10 mm，承载能力不低于280 kN。锚索采用1×19 股高强度低松弛钢绞线，Φ=22 mm，长度6300 mm，尾部配有高强度锁具。锚索每排5 根，间距为2200 mm；托盘采用高强度碟形托盘；托梁采用Φ14 mm 的钢筋焊接而成，宽80 mm，长3700 mm。

网片采用10#铁丝编织，网孔规格为30 mm×30 mm，网片规格为5500 mm×1000 mm，网片之间相互搭接。

4.2 巷帮支护

采用Φ22#左旋无纵筋螺纹钢、长2400 mm的锚杆，杆尾螺纹为M24，配套使用调心球垫及减摩垫，强度不低于500 MPa，间排距为900 mm×900 mm，预紧力矩不小于200 N·m，采用2支型号为MSK2335 和MSZ2360 的树脂加长锚固，钻孔直径为30 mm；托盘采用拱形高强度托盘，承载能力不低于300 kN；网片规格及铺设方法与护顶网片相同；采用W 钢护板支护，W 钢护板规格5 mm×280 mm×450 mm。帮锚杆打设时，帮角锚杆沿水平线偏转10°，距顶板距离100 mm，距底板距离300 mm。

5 应用效果

5.1 现场应用

根据上述优化的支护方案参数，在2#底抽巷选择一段长50 m 的试验巷道，按照优化后的支护方案进行巷道支护，巷道支护施工断面如图5。

图5 巷道支护断面布置参数

5.2 支护效果分析

在巷道内部布设3 个测站观测巷道变形情况，巷道变形曲线图如图6。

图6 巷道监测效果图

从图中可以看出：经过80 d 对巷道围岩变形进行观测，巷道在观测初期围岩变形量较大，后期围岩变形量趋于稳定。由图6（a）可知，三个测站的最大顶板移进量分别为53 mm、51 mm、52 mm；由图6（b）可知，三个测站的最大两帮移进量分别为26 mm、27 mm、32 mm。优化后的支护方案实现了对巷道稳定性的有效控制，提高了巷道的安全性。

6 结论

（1）数值模拟表明，巷道围岩变形量的不同位置及垂直应力分布的情况是影响底抽巷变形破坏的因素，其中垂直应力分布的集中程度对巷道支护和维护起重要作用。

（2）从监测效果中可以看出，尽管巷道顶板移进量与两帮变形量有所增加，但最终趋于稳定，有效控制了巷道变形，提高了巷道稳定性。

（3）在底抽巷道服务期间，未发生顶板整体下沉量大、支护体失效等问题，保证了煤矿的安全生产。