曙光煤矿多次动压扰动巷道支护技术应用研究

杨 斌

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司曙光煤矿，山西 孝义 032300）

1 工程概况

山西汾西矿业（集团）有限责任公司曙光煤矿主要位于山西省中部孝义市，局部区域位于晋中介休市和灵石县境内。曙光煤矿主采2、3 号煤层，生产规模90 万t/a。上组煤（2、3 号煤层）共划分为四个采区，首采区为井底车场附近的一采区。一采区准备巷道和工作面回采巷道均沿煤层底板掘进，巷道断面为矩形。1226 综采工作面可采走向长度2455m，倾向长度180.5m，实体长176m。1226工作面所采煤层属于二叠系下统山西组2#煤，煤层厚度平均为2.85m，工作面沿顶底板割煤。煤层顶底板岩性特征如图1（a）所示。曙光煤矿属于高瓦斯矿井，为避免工作面上隅角出现瓦斯浓度过高的问题，设置1226 瓦斯治理巷作为专门的回风巷，且作为1228 工作面的运输巷使用。工作面准备阶段1226 材料巷和瓦斯治理巷采用双巷掘进，煤柱宽度为20m，1226 工作面南部为1228 接替工作面。1226 工作面回采期间，1226 瓦斯治理巷围岩变形严重，已无法满足工作面正常生产的需求，需采取适当的措施进行加固返修。巷道布置平面图如图1（b）所示。

2 原巷道支护形式

曙光煤矿1226 瓦斯治理巷掘巷期间永久支护方式为锚杆+锚索+金属网联合支护。顶板支护：采用锚杆+锚索+金属网+钢筋梯子梁。锚杆杆体规格为Φ20×2400mm 的左旋螺纹钢，间、排距为900×1000mm，锚固剂为MSCKb2380 型和MSK2380 型树脂药卷各一支，每排6 根，安装时预紧力距不低于200N•m。锚索采用规格为Φ21.6×6300mm 的预应力钢绞线，每排三根，锚固剂为一支MSCKb2380 型和一支MSK2380 型树脂药卷，间排距1800×2000mm，安装时预紧力不小于150kN，顶板钢筋梯子梁由直径10mm 的圆钢制成，金属网为8#菱形金属网。帮部支护采用锚杆+金属网+钢筋梯子梁。锚杆规格为Φ20×1800mm的左旋螺纹钢，锚固剂为一根 MSCKb2380 树脂药卷，每排4 根，间排距为800×1000mm，金属网和钢筋梯子梁与顶板支护规格相同。1226 瓦斯治理巷原有支护方案如图2 所示。

图 1 地质及采掘技术背景

图 2 1226 瓦斯治理巷原支护断面图

3 围岩失稳破坏机理数值模拟研究

为探究曙光煤业1226 瓦斯治理巷围岩失稳破坏的机理及围岩的破坏情况，根据曙光煤矿1226工作面的具体情况采用FLAC3D软件进行数值模拟[1-2]。模拟1226 工作面长度为倾斜180m，1226 材料巷和瓦斯治理巷间煤柱宽度为20m，1228 工作面长度为50m，整个模型尺寸为250（宽）×80m（高）×300m（长）。模型采用莫尔—库伦本构单元。1226 材料巷和瓦斯治理巷的支护方式采用第二节所述，模拟1226 工作面推进220m。模型前后左右水平方向的位移为0，下部边界为固定边界，模型上部边界施加6.76MPa 的垂直应力。模拟过程：首先进行1226 材料巷和瓦斯治理巷的开挖，然后进行1226 工作面和1228 工作面开切眼，最后进行1226工作面的回采。模拟方案示意图如图3 所示。

通过数值模拟得到图4 所示结果。图4（a）所示结果为距掘进工作面迎头4m 处，巷道支护后围岩塑性区分布。由图可以看出，1226 材料巷和瓦斯治理巷掘进期间，巷道围岩的破坏情况基本相同。两条巷道间有20m 的保护煤柱，掘进互不干扰。1226 瓦斯治理巷两帮塑性破坏区基本对称，两帮塑性区范围均在 4～5m，顶板塑性破坏范围为2～3m，底板塑性破坏范围为3～4m，整体而言围岩塑性破坏范围较大，帮部煤体塑性破坏较为严重。由此可知，1226 瓦斯治理巷掘进期间支护方案的支护强度偏低。图4（b）所示结果为，1226 工作面回采期间工作面后方10m 处围岩塑性区分布情况。统计瓦斯治理巷掘进期间及邻近工作回采期间瓦斯治理巷围岩的塑性破坏范围和围岩位移量，得到表1 所示的结果。由图和表可知，邻近的1226 工作面回采后，瓦斯治理巷围岩内的塑性破坏区进一步扩展，尤其是煤柱帮，巷道与采空区间完整煤岩体的宽度由掘进期间的10m 锐减至5m，且煤柱上方岩层中的塑性发育区连通，使煤柱的承载能力大大下降，导致瓦斯治理巷受到明显的采动影响，工作面回采后采空区覆岩垮落、下沉，将导致瓦斯治理巷围岩持续变形。工作面回采后，瓦斯治理巷的变形量同样显著的增大，变形量增大最显著的为顶板和煤柱帮。综上所述，1226 瓦斯治理巷掘进期间围岩位移量较小，在1226 工作面回采期间，巷道围岩塑性破坏深度增大，煤柱对于巷道的保护能力减弱，瓦斯治理巷顶板和煤柱帮的变形迅速持续增大。

图 3 数值模拟方案示意图

图 4 围岩塑性区分布模拟结果

表1 数值模拟结果

4 支护方案优化设计

根据上文数值模拟研究结果，对于1226 瓦斯治理巷支护方案的优化需遵循以下几点原则：（1）高强度原则。巷道围岩塑性破坏范围较大，采用以高强预紧力锚杆为核心，提高巷道浅部围岩的力学性能，控制围岩塑性破坏范围的扩展。（2）非对称原则。工作面采动影响下巷道围岩出现失稳破坏，主要破坏形式为顶板下沉和煤柱帮内移，应有针对性地支护顶板和煤柱帮；（3）提高围岩残余强度的原则。巷道围岩一定范围内的塑性破坏不可避免，对破碎围岩的维护是巷道支护的主要对象，提高破碎煤岩体的残余强度，尽可能发挥其承载能力，减小巷道表面围岩的位移。基于以上原则确定1226 瓦斯治理巷返修支护方案为“高强锚杆+金属网+高强锚索+钢带”耦合支护体系，详细参数如下：顶板锚杆规格为Φ20×3000mm的左旋螺纹钢，间、排距为900×800mm，锚固剂为MSCKb2380 型和MSK2380 型树脂药卷各一支，安装时预紧力距不低于200N•m，顶板锚杆间通过宽度100mm 的钢带联接。锚索采用规格为Φ21.6×6300mm 的预应力钢绞线，每排四根，锚固剂为一支MSCKb2380 型和一支MSK2380 型树脂药卷，间排距1200×800mm，安装时预拉力不小于200kN，金属网为8#菱形金属网。煤柱帮部支护锚杆规格为Φ20×2400mm 的左旋螺纹钢，间、排距为750×800mm，锚索采用规格Φ21.6×4300mm 的预应力钢绞线，间、排距为140×800mm，锚杆采用一支 CK 2380 树脂药卷，锚索的锚固方式与顶板相同；临近1228 工作面一侧采用规格为Φ20×2400mm 的玻璃钢锚杆，间排距为750×800mm，采用一支 CK 2380 树脂药卷。1226 瓦斯治理巷返修优化支护方案如图5 所示。

5 应用效果监测

采用上述优化设计的支护方案对1226 瓦斯治理巷进行返修，为考察支护的效果，采用十字断面法监测巷道围岩的位移情况，并采用YGS127（A）型光纤光栅动态监测系统监测锚杆的受力情况[3-4]。结果表明，返修后的1226 瓦斯治理巷，在工作面推进后，巷道围岩逐渐趋于稳定，最终顶底板总移近量约150mm，顶板下沉量约65mm，底板底鼓量约85mm，煤柱帮内移量约70mm，实体煤帮内移量稳定在45mm 左右，围岩变形量较小，巷道围岩得到了有效的控制，能够满足作为1228 工作面运输巷使用的断面要求。锚杆受力情况监测结果表明，整体支护结构受力较为均匀，支护承载体性能得到了更好的发挥，对巷道围岩稳定的控制起到了重要作用。

图 5 1226 瓦斯治理巷返修支护示意图

6 主要结论和建议

采用FLAC3D软件分别模拟了1226 瓦斯治理巷的掘进和1226 工作面的回采，得到巷道掘进期间和工作面回采期间围岩的塑性区分布规律和巷道变形情况，得到1226 瓦斯治理巷围岩失稳变形的具体情况和内在机理，临近工作面回采导致围岩塑性区进一步扩大，顶板和煤柱帮是变形的主要区域。据此提出高强度、非对称等支护原则，并确定支护方案为“高强锚杆+金属网+高强锚索+钢带”耦合支护体系。现场应用期间通过矿压监测及锚杆受力监测表明，巷道围岩变形控制效果良好，成功解决了1226 瓦斯治理巷围岩失稳破坏的问题。