孟家窑煤矿11505特厚煤层工作面回采巷道围岩控制技术研究

贾春涛

（潞安集团潞宁孟家窑煤业有限公司，山西 宁武 036700）

1 工程概况

山西潞安集团孟家窑煤业有限公司11505工作面位于11采区，地面标高为1 732～1 802 m，井下标高为1 464～1 588 m，工作面切眼长度为154 m，走向长度1 258 m，开采5号煤层，煤层厚度12.4～15.6 m，平均厚度为14.01 m，平均倾角为24°，属特厚煤层，煤层内平均含有3层夹矸，节理、内生裂隙不发育，顶板岩层为砂质泥岩和细粒砂岩，底板岩层为砂质泥岩和粉砂岩。11505工作面回风巷主要为11505工作面提供回风、行人等服务，巷道沿煤层底板掘进，巷道净宽×净高=4.5 m×3.5 m，巷道拟采用锚网索进行支护，由于巷道上方煤层较厚，现为保障巷道围岩的稳定，特进行围岩控制方案的研究。

2 锚杆支护参数模拟分析

为保障工作面回风巷锚网索支护方案的合理性，现采用F LAC3D数值模拟软件进行部分支护参数的模拟分析，根据巷道的赋存条件及特征，建立长×宽×高=80 m×40 m×20 m的数值模型，根据地质条件分别对煤层及顶底板岩层的各项参数进行赋值，主要对顶板锚杆长度、帮部锚杆长度、顶帮角锚杆角度进行模拟分析，具体模拟方案及结果如下：

1）顶板锚杆长度：根据众多工程实践结果及矿井资料[1-2]，本次顶板锚杆长度设置4组方案，分别为2 200、2 400、2 600、2 800 mm，其余参数不变，顶板锚索长度5 000 mm、锚索预紧力为60 k N、帮锚杆长度为2 000 mm，设置锚杆索均垂直于顶板及两帮打设，根据数值模拟结果能够得出，不同锚杆长度下顶板下沉量如图1所示。

分析图1可知，顶板锚杆长度为2 200 mm时，顶板的最大下沉量为122.77 mm，随着锚杆长度的增大，顶板的下沉量逐渐减小，当顶锚杆长度增大为2 400 mm时，顶板下沉量降低为120.59 mm，降幅较小；当顶板锚杆长度增大为2 600 mm时，巷道顶板下沉量降低为116.2 mm，降幅较为显著，随着锚杆长度的进一步增大，当顶板锚杆长度增大为2 800 mm时，巷道顶板下沉量为115.8 mm，降低较为显著；据此可知，顶板锚杆长度大于2 600 mm，此时锚杆长度的增大对顶板下沉量的影响便逐渐减小；基于上述分析确定顶板锚杆的长度为2 600 mm。

图1 不同锚杆长度下顶板下沉量云图

2）帮锚杆长度：根据顶帮协同支护原则[3-4]，帮锚杆长度模拟方案设置为6组，分别为1 600、1 800、2 000、2 200、2 400、2 600 mm，其余模拟参数相同，基于上述锚杆模拟结果，本次设置顶锚杆长度2 600 mm，锚索长度5 000 mm，锚索预紧力为60 k N，锚杆索均垂直于顶帮打设，根据数值模拟结果可得出不同帮锚杆长度下，顶板下沉量数据见表1，帮锚杆长度与顶板下沉量间的曲线图如图2所示。

表1 不同帮锚杆长度下顶板下沉量数据表

图2 帮锚杆长度-顶板最大下沉量曲线图

分析表1和图2可知，随着帮锚杆长度的增大，顶板下沉量在不断减小，但帮锚杆长度小于2 000 mm时，此时随着顶板锚杆的增大，顶板最大下沉量的减小幅度较小，帮锚杆由2 000 mm增大为2 400 mm时，顶板下沉量的降低幅度较为显著，当帮锚杆长度大于2 400 mm后，随着锚杆长度的增大，顶板下沉量的降低幅度又逐渐减小；基于上述模拟结果分析可知，当帮锚杆长度小于2 000 mm时，此时由于两帮锚杆的锚固范围较小，无法控制两帮的变形破坏，对自然平衡拱高度的降低效果较为微弱；当帮锚杆长度处于2 200～2 400 mm范围内时，此时锚杆长度的增大，能够有效减小顶板自然平衡拱的高度，进而实现对顶板下沉量的控制；当帮锚杆长度大于2 400 mm时，此时支护效能未能得到有效的释放，利用率较低，进而对顶板下沉量的影响较小；故基于上述分析确定帮锚杆长度为2 400 mm。

3）顶帮角锚杆角度：为分析两顶角锚杆的合理角度和两帮角锚杆的合理角度，在进行顶角锚杆模拟时，设置其余锚杆索均垂直于巷道顶帮，在进行帮角锚杆角度模拟时，设置锚杆其余锚杆均垂直于顶帮，顶角锚杆的模拟角度分别为45°、55°、65°、75°、85°，帮角锚杆的模拟角度分别为5°、15°、25°、35°、45°，模型中其余模拟参数均同上，根据模拟结果得出如图3所示曲线图。

图3 顶角、帮角锚杆角度-顶板下沉量曲线图

分析图3（a）可知，随着顶角锚杆角度的不断增大，顶板最大下沉量呈现出先下降后升高的趋势，其中顶板下沉量的最小值在顶角锚杆为75°时取得，为106.29 mm，帮角锚杆顶板下沉量的曲线图呈现出基本相同的变化趋势，顶板下沉量的最小值在帮胶锚杆为25°时取得，基于上述数值可知，在顶板锚杆以75°安装、帮角锚杆以25°安装时，锚杆支护形成的应力区能够与相邻锚杆（索）有效叠加，实现为巷道顶板的控制；基于上述分析确定顶角锚杆安设角度为75°，帮角锚杆的安设角度为25°。

3 支护方案及效果

3.1 支护方案

根据11505工作面的地质条件及上述锚杆支护参数的模拟结果，确定巷道支护方案如下：

1）顶板支护：采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为M SGLW-335/18×2600，间排距800 mm×1 000 mm，同一断面内锚杆布置6根，两顶角锚杆与巷道顶板成75°安设，采用方形托盘，规格为150 mm×150 mm×10 mm，采用树脂加长锚固，预紧力矩为300 N·m；锚索采用高强度低松弛预应力钢绞线，规格为SK P15.24-7/1860，ϕ15.24 mm，长度8 300 mm，间排距1 600 mm×1 000 mm，两顶角锚索与顶板成55°安设，中部锚索垂直于巷道顶板打设，采用加长锚固，托盘采用平钢板，规格300 mm×300 mm×15 mm，预紧力120 k N，规格为4 700 mm×75 mm×12 mm的钢带将锚杆索连接成一个整体，采用规格为4 700 mm×1 000 mm的钢筋经纬网进行护顶。

2）两帮支护：采用左旋螺纹钢锚杆，规格为M SGM-235/16×2200，间排距1 000 mm×1 000 mm，帮角锚杆与帮部成25°布置，其余锚杆垂直于巷帮布置，采用树脂加长锚固，锚杆预紧力矩为200 N·m，采用规格长×宽=3 700 mm×75 mm的钢带将锚杆与锚索连接为一个整体，提升锚杆索的承载能力，采用11号铁丝制作的规格为3 700 mm×1 000 mm的钢丝网进行护帮。具体巷道支护方案见图4。

图4 巷道支护断面图

3.2 效果分析

在11505回风顺槽掘进期间，采用十字布点法在滞后掘进迎头10 m处进行巷道变形量的监测分析，根据监测结果得出顶底板移近量和两帮变形量随时间的变化曲线，见图5（a）、5（b）；另外在工作面回采期间，超前工作面110 m处布置监测点[5-6]，对巷道变形量进行监测分析，根据监测结果得出巷高、两帮收敛-距工作面距离曲线，见图5（c）、5（d）。

分析图5（a）、5（b）可知，巷道掘出后的8 d内，顶板下沉量及两帮收敛量均大幅增大，在巷道掘出大于8 d时，顶板下沉量及两帮移近量均逐渐趋于稳定，顶板下沉速率在巷道掘出后的第10 d，顶板的下沉速率基本降为0，表明此时巷道基本处于稳定状态，顶板最大下沉量为57 mm，两帮收敛速率基本已下降至0，两帮收敛量的最大值为64 mm。

图5 巷道掘进及工作面回采期间围岩变形曲线图

分析图5（c）、5d）可知，工作面与测点之间的距离大于100 m时，此时巷道顶板下沉及两帮移近量基本无变化；距离小于100 m时，此时围岩变形速率开始逐渐增大；距离小于70 m时，此时顶板下沉及两帮收敛速率均大于8 mm/d，当监测断面距回采工作面38 m时，此时顶板下沉量为70 mm，两帮收敛量为80 mm，巷道变形量满足回采巷道的使用要求。

4 结论

根据11505回风顺槽地质赋存条件，通过数值模拟软件进行锚杆支护合理参数的分析，确定顶帮锚杆长度、顶角和帮角锚杆安设角度，基于数值模拟结果，具体进行巷道锚网索支护方案的设计，并在巷道掘进期间和工作面回采期间进行围岩变形监测，根据监测结果可知，巷道在该种支护方案下围岩变形量较小，满足回采巷道的使用要求。