基于松动圈理论的高抽巷合理支护参数优化研究

2021-05-17张博

山西焦煤科技 2021年3期

张博

(西山煤电集团技术中心，山西太原 030053)

高抽巷布置在采空区顶板岩层裂隙范围内，是通过调节采空区瓦斯流向来解决工作面上隅角瓦斯超限的专用巷道[1]. 该类巷道服务年限长、掘进速度慢、巷道稳定性难控[2]. 加强支护、维护围岩稳定、有效减少锚杆数量对于提高巷道掘进速度具有重要工程实际意义[3]. 杜儿坪矿北三盘区裂隙区中上部的68308工作面高抽巷，在掘进过程中掘进机破岩量较大，巷道月进尺较少，仅200 m/月，存在锚杆预应力水平偏低，金属网联网方式不恰当等问题。因此，对68308工作面高抽巷进行锚杆支护参数优化研究。

1 工程概况

北三盘区68308面高抽巷位于北三盘区6#煤层，主要用于抽放北三盘区68308和68309两面8#煤层中瓦斯，使用期限至少5年。设计巷道全长1 500 m. 现场两帮均采用3根帮锚杆，巷道掘送锚索采用“二一二”五花布置。

2 巷道围岩破裂范围特征研究

以杜儿坪矿北三盘区68308工作面瓦斯高抽巷围岩地质条件为基础，建立FLAC3D数值模型。为满足模型计算精度及计算速度需要，模型以只覆盖高抽巷开挖后围岩影响范围的煤岩层为研究对象。所开挖巷道及钻场附近的煤岩体，其上部的岩体重力则以模型顶面施加载荷来代替，根据北三盘区地应力测量结果显示，北三盘区高抽联络巷所处位置最大水平主应力为26.68 MPa，方向为N44.3°E，最小水平主应力13.82 MPa，巷道埋深484 m，垂直主应力为12.10 MPa.

巷道顶底板围岩物理力学参数见表1.

表1 数值模型围岩物理力学参数表

边界条件为左右前后边界绞支，底端固支，顶端不施加位移约束，但施加垂直应力，通过initial stress命令将三向主应力施加到各单元进行初始平衡计算，由于模型范围较小，因此不考虑重力梯度围岩塑性区，计算结果见图1.

图1 FLAC3D计算结果塑性区情况图

计算结果表明，北三盘区68308面高抽巷开挖稳定后围岩顶底板及两帮最大破裂均匀，最大范围达到1.4 m.

3 支护参数优化

巷道开挖后，围岩受力状态由三向变成了近似两向，造成岩石应力较大幅度上升。如果围岩中集中应力值小于下降后的围岩强度，围岩处于弹塑性状态，围岩自行稳定；如果相反，围岩将发生破坏，这种破坏从周边逐渐向深部扩展，直至达到新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中出现了一个破裂带。把这个由于应力作用产生的破裂带称为围岩松动圈。董方庭等[4]认为，松动圈厚度值一般小于常用锚杆长度,并在设计上可采用悬吊理论进行锚杆长度的计算。

I=Kh+l1+l2

式中：

I—锚杆长度，m；

K—安全系数，根据巷道的重要程度及服务年限取值，一般取1～2.5，北三盘区68308面高抽巷预期服务年限2年，综合考虑后取1.5；

h—围岩破裂范围厚度，m，取1.4；

l1—锚杆外露长度，m,一般取0.1；

l2—锚杆锚入稳定地层的深度，m，一般取0.3～0.4，取0.3.

代入公式，计算得到锚杆合理支护长度I=2.5 m.

北三盘区68308面高抽巷设计矩断面，长4.2 m×宽3.3 m，常规地段永久支护采用锚网联合支护，基于以上分析，优化后的锚杆长度取2 500 mm，根据锚杆支护优化的“三高一低”原则，基本高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。其他支护参数情况如下：

根据锚杆支护优化的“三高一低”原则，即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则，顶板锚杆间排距为925 mm×1 000 mm，顶板锚索间排距为2 500 mm×2 000 mm，锚索距帮850 mm；帮锚杆间排距1 000 mm×1 000 mm. 帮部第一根锚杆距顶板为300 mm，第三根锚杆距底板1 000 mm，第三根锚杆距底板超过1 200 mm时必须补打一根帮锚杆。优化支护设计图见图2.

图2 北三盘区高抽巷支护设计图

4 支护效果分析

为检测支护效果，在紧靠掘进工作面迎头采用十字布点法设置了巷道表面位移监测点以观测巷道围岩的变形状况，测点布置示意图见图3.

图3 巷道表面位移监测断面布置图

在巷道标牌900 m和1 310 m处安设了两个测站，每个测站包括两个巷道表面位移量测点，分别监测巷道左帮、右帮和顶板位移量，两个测站的巷道表面位移监测曲线分别见图4，图5.

通过对巷道表面位移的监测可以看出：

1) 测站一的测点1和测点2处巷道顶板的最大下沉量分别为20 mm及12 mm，巷道的设计高度为3.3 m，巷道顶板下沉量分别占设计高度的0.60%及0.36%；1、2测点巷道两帮最大移近量均为15 mm，巷道设计宽度为4.2 m，实际巷道掘进宽度为4.3 m左右，巷道两帮移近量均占掘进巷道宽度的0.35%.