常村煤矿N3-11运输巷道高应力动压巷道支护技术优化研究

2021-07-13原彬

煤 2021年7期

原彬

(潞安化工集团常村煤矿，山西长治 046100)

常村煤矿N3-11工作面倾向长度120 m，走向长度1 500 m，工作面开采3号煤层，煤层厚度5.09～7.20 m，平均厚度为6.19 m，煤层顶底板岩层特征如图1所示。N3-11运输巷道为N3-11工作面提供运输和行人服务，巷道埋深为470 m，巷道所受的侧压系数为1.26，水平应力为14.82 MPa，巷道处于高应力集中区域。N3-11运输巷道北部为正在回采作业的N3-09工作面，N3-09工作面与巷道间的煤柱宽度为30 m，工作面回采期间的采动影响会造成巷道围岩的变形破坏，即N3-11运输巷道属于高应力动压巷道。

N3-11运输巷道沿煤层底板掘进，断面为矩形，巷道宽度为5 000 mm，高度为3 400 mm，巷道原来采用锚杆+金属网支护，锚杆规格为D22 mm×2 400 mm，顶板锚杆间排距为900 mm×1 000 mm，两帮锚杆间排距为950 mm×1 000 mm，采用10号铁丝编织的金属网进行护表，锚杆预紧扭矩为400 N·m。巷道在现有支护方案下，掘进期间围岩变形量较大，其中顶底板最大移近量达到780 mm，两帮最大移近量达到650 mm，无法满足回采巷道的使用要求。现为保障N3-11运输巷道高应力动压巷道围岩的稳定，特进行支护技术的优化研究。

1 巷道支护参数分析

1.1 巷道破坏影响因素

1) 高应力影响：由于巷道埋深为470 m，巷道所处区域垂直应力约为11.75 MPa，侧压系数为1.26，水平应力为14.82 MPa，巷道区域高应力影响下易使巷道开挖断面顶板处应力出现集中现象，同时应力集中现象也会逐渐向未开挖区域扩展[1-3]。

图1 煤层顶底板岩层柱状

2) 邻近回采工作面动压影响:邻近N3-09工作面正在进行回采作业，N3-11运输巷道进行掘进作业时，在邻近采动影响下，邻近工作面采动后覆岩的运动，其侧向支承压力会造成巷道围岩变形的进一步加剧。

3) 复杂地质构造影响: N3-11运输巷道区域断层和陷落柱较为发育，构造的发育必定会造成构造应力的增大，进而使得上覆岩层在挤压作用下逐渐破碎，进而降低巷道围岩的承载能力[4]。

4) 原有支护参数不合理：巷道原有支护方案中仅采用了锚杆支护，且锚杆的预紧力均普遍较低，无法充分发挥出锚杆的主动支护作用，巷道原有支护方案的支护强度较低，致使巷道围岩塑性区持续发育，最终呈现为巷道围岩出现较大的变形破坏。

1.2 支护参数模拟分析

N3-11运输巷道采用原有支护方案时，巷道围岩持续变形，围岩无法达到稳定状态，结合运输巷道在原有支护方案下的变形特征及影响围岩稳定的主要因素，确定在巷道原有支护的基础上补设顶板锚索，并调整锚杆的打设角度，提升原有锚杆的预紧扭矩，锚索支护时也采用高预紧力原则，以此充分改善巷道围岩的变形破坏情况。

根据N3-11运输巷道的地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件，建立长×宽×高=350 m×100 m×91 m的数值模型，模型上部施加等效垂直应力荷载，模型两侧限制左右位移，固定底部位移，在巷道掘进区域采用加密网格以提高计算结果可靠性[5-6]。数值模拟时，先进行初始地应力平衡，随后进行N3-09工作面的回采和N3-11运输巷的掘进作业，模型力学模型如图2所示。

图2 数值模拟力学模型

为模拟得出巷道合理的支护方案，设置5种模拟方案。其中方案一为巷道原有支护方案，剩余4种模拟方案主要对比分析锚索间排距的布置。模拟时巷道锚杆均采用D22 mm×2 400 mm的螺纹钢锚杆，预紧扭矩为400 N·m，顶部布置6根锚杆，间排距为900 mm×1 000 mm，帮部锚杆间排距为950 mm×900 mm，顶角和帮角锚杆分别与顶板和巷帮成10°布置；锚索型号为D22 mm×7 300 mm的1×7股钢绞线，锚索预紧力为250 kN，具体不同模拟方案下锚索布置形式如表1所示。

表1 数值模拟方案锚索布置形式

根据数值模拟结果绘制巷道在5种支护方案下的顶板、煤柱帮、实体煤帮表面位移曲线见图3。

图3 不同支护方案下围岩变形曲线

分析图3(a)可知，随着顶板锚索布置个数的增多，巷道掘进期间的顶板下沉量逐渐减小，5种支护方案下顶板的最大下沉量分别为180 mm、120 mm、108.8 mm、90 mm和70 mm。据此可知，巷道由支护方案三变化为方案四时，顶板下沉量的降低幅度较大，而支护方案由方案四变为方案五时，顶板下沉量的降低幅度大幅减小，支护强度的增大对顶板稳定性的影响逐渐减小。

分析图3(b)和图3(c)可知，随着顶板锚索布置个数的增多，煤柱帮和实体煤帮的变形量均逐渐减小，这表明顶板补设的锚杆、锚索起到了相应的支护作用。同样从曲线图中能够看出，方案四和方案五对实体煤帮和煤柱帮的支护效果相较于方案一、二和三更为显著，实体煤帮和煤柱帮的变形量均较小。

基于上述模拟结果，在保障巷道围岩稳定的基础上，考虑巷道的掘进速度和经济性，初步选定方案四。为验证方案四的合理性，进行N3-11工作面回采期间运输巷道垂直应力分布情况的分析，根据模拟结果得出巷道距工作面70 m、50 m、30 m、10 m时垂直应力分布云图，如图4所示。

图4 巷道距工作面不同距离时垂直应力分布云图

分析图4可知，随着工作面回采的进行，巷道围岩垂直应力呈现出逐渐增大的趋势，围岩垂直应力出现在距工作面10 m的位置处，此时垂直应力的最大值为25 MPa。另外根据数值模拟结果可知，巷道距工作面50 m时，巷道开始受到采动应力的影响，围岩顶底板及两帮变形量开始逐渐增大，当工作面回采至距巷道测点10 m时，围岩变形相对较大，最大变形量为400 mm，满足回采巷道的使用要求。据此确定巷道最终的支护方案为方案四。

2 围岩控制技术

2.1 支护方案

根据上述N3-11运输巷道围岩变形的主要影响因素，结合支护参数的数值模拟结果，确定巷道采用锚网索支护，布置形式采用方案四，具体支护参数如下：

1) 顶板支护：锚杆采用高强螺纹钢锚杆，规格为D22 mm×2 400 mm，间排距为900 mm×1 000 mm，配套采用高强拱形托盘，规格为150 mm×150 mm×12 mm，锚杆采用树脂加长锚固，两顶角锚杆与顶板呈10°布置，其余锚杆均垂直顶板布置，锚杆间采用钢筋梯子梁连接，梯子梁长度为5 000 mm，锚杆预紧扭矩为400 N·m；锚索采用1×7股钢绞线，规格为D22 mm×7 300 mm，间排距为2 200 mm×1 000 mm，配套采用高强托盘，规格为300 mm×300 mm×16 mm，锚索预紧力为250 kN，采用10号铁丝编制的金属网进行护表。

2) 两帮支护：锚杆规格、型号、预紧扭矩及锚固形式等均同顶板锚杆，锚杆间排距为950 mm×1 000 mm，帮部同样采用钢筋梯子梁+金属网配合锚杆支护，梯子梁长度为3 150 mm，金属网长×宽=3 150 mm×1 000 mm。

具体N3-11运输巷道优化的支护方案如图5所示。

图5 N3-11运输巷道支护断面(mm)

2.2 效果分析

N3-11运输巷道和N3-11工作面回采期间分别进行巷道围岩变形量的监测分析，掘巷期间在滞后掘进迎头10 m的位置处设置测点，工作面回采期间在超前工作面60 m位置处设置测点，采用十字布点法，通过现场观测得出巷道围岩变形曲线如图6所示。

图6 围岩变形曲线

分析图6可知，N3-11运输巷道在现有支护方案下，巷道掘出35 d后，围岩基本达到稳定状态，顶底板及两帮移近量基本不再变化，最终掘巷期间顶底板及两帮变形量的最大值分别为305 mm和278 mm。本工作面回采期间，运输巷道变形主要出现在超前工作面0～30 m的范围内，顶底板及两帮变形量最大值为581 mm和579 mm，满足回采巷道使用要求。