马兰矿10604工作面沿空掘巷围岩控制技术研究

王浩鹏

（山西焦煤西山煤电马兰矿 山西 太原 030205）

0 引言

沿空掘巷是在毗邻工作面回采完成后，沿着采空区的边缘留设窄煤柱进行掘巷，其动压影响时间短，巷道易维护，且巷道支护费用低，与沿空留巷相比更利于推广[1-6]。以马兰矿10604工作面的现场地质条件为工程背景，利用数值软件FLAC3D建立三维计算模型，探究锚杆长度、间排距以及锚索长度等对巷道围岩变形的影响，并结合现场工程实际确定合理的支护参数及支护方案，以期为类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

马兰矿10604运输顺槽掘进工作面所掘煤层为6#煤层，巷道沿煤层顶板掘进，工作面地质构造较为简单，整体为单斜构造，其北部为井田边界的保安煤柱，10602 工作面位于10604 工作面的东部，目前已经开采完成，成为采空区，10606 工作面位于10604 工作面的西部，目前未进行开采，工作面煤层走向北南，倾向东西，倾角4°～8°，窄煤柱的宽度约为6.5 m。10604运输顺槽为矩形巷道，巷道沿煤层顶板掘进，总设计长度780 m；掘进方式为机掘，运输方式：刮板机及皮带运输，断面由宽4.5 m，高2.8 m。煤岩层柱状图见图1。

图1 煤岩层柱状图

2 沿空掘巷支护参数数值模拟研究

2.1 数值模型建立

结合马兰矿10604 工作面的现场实际情况，利用数值模拟软件FLAC3D建立三维数值计算模型，模型尺寸为：长×宽×高=500×300×30（m），共划分为36 160个单元、38 326个节点，模型左右、前后、下边界均为固定约束，上表面为自由约束；由计算结果确定10604工作面合理的锚杆长度、间排距、锚索长度等支护参数。各岩层的物理力学参数如表1所示。

表1 围岩物理力学参数

2.2 结果与分析

2.2.1 锚杆参数对围岩变形的影响

锚杆具有很强的锚固作用，可以与上覆的煤岩体形成锚固体，同巷道围岩形成一个整体的承载结构。该承载结构可以承载其本身的重量及产生的变形，对围岩具有很好的支撑稳定作用。

固定锚杆间排距的大小，选取2.2 m、2.4 m、2.6 m、2.8 m四种不同长度的锚杆进行巷道围岩的支护，对比巷道围岩的变形量。同样固定锚杆长度，选取60 cm、70 cm、80 cm、90 cm、100 cm 五种不同的锚杆间排距，对比巷道围岩的变形量。

不同锚杆长度下巷道围岩变形关系如图2 所示。由图2 可看出，巷道顶板、巷道底板、巷道煤柱帮以及巷道实体煤帮处的围岩变形量随锚杆长度的增加略有下降，相比于锚杆长度2.0 m 时，尤其是锚杆长度为2.2 m 时，围岩变形较锚杆长度为2.0 m 时发生明显下降，变化较大处位于主要实体煤帮处，由之前的269 mm 减小到215 mm，锚杆长度大于2.2 m 时，围岩变形量无较大的改变，所以选择长度为2.2 m 的锚杆最为经济合理。

图2 锚杆长度与巷道围岩变形关系

不同锚杆间排距下巷道围岩变形关系如图3、图4所示。从图3、图4可看出，一定范围内，不同锚杆的间排距与巷道围岩的变形成正相关。当锚杆间距在70 cm～80 cm范围内时，围岩变形量较小；当间排距大于80 cm 时，围岩变形增速较大，当排距在60 cm～80 cm范围内时，围岩变形量较小；因此，综合考虑锚杆间排距对围岩变形的影响以及经济因素，锚杆间排距选择为80 cm。

图3 锚杆间距与巷道围岩变形关系

图4 锚杆排距与巷道围岩变形关系

2.2.2 锚索参数围岩变形的影响

一定长度的锚索，可以将较深处的岩层与锚杆锚固在一起，进一步增强锚固体的稳定性，同时增大锚固的范围。由于锚索为柔性支护体，锚索长度大于一定值后，其绝对延长量相应也会变大，巷道顶板离层值随之变大，使得锚固体因发生错动造成剪切破坏。

不同长度、根数的锚索支护下，巷道围岩变形关系如图5、图6 所示。从图5 可看出，锚索长度对围岩的变形影响较大，锚索长度在3 m～7 m 范围内时，围岩变形量随锚索长度的增加而减小，且降幅较明显。锚索长度大于7 m时，变形量降幅较小；从图6可看出，锚索根数的增加可控制围岩的变形，且锚索根数从0～2根范围内，围岩变形量降幅较大，综合考虑，锚索长度根数选为7 m、2根。

图5 锚索长度与巷道围岩变形关系

图6 锚索根数与巷道围岩变形关系

3 巷道支护方案

巷道顶板锚杆采用螺纹钢锚杆，长度为2.2 m，直径22 mm，锚杆的间排距为0.8×0.8(m)，每排有6 根锚杆；锚索采用长度为7 m，直径21.6 mm的矿用锚索，锚索的间排距为1.6×0.8(m)，每排有2 根锚索；同时顶板铺设直径10 mm的金属网，间距1.0×1.0(m)。

巷道两帮锚杆规格型号、间排距、设计与顶板相同，巷道两帮每排有5 根锚杆；巷道两帮铺设直径10 mm的金属网，间距4.0×1.0(m)，同时增设钢筋梯子梁，其直径为12 mm；煤柱帮与实体煤帮采用矿用锚索，直径均为17.8 mm锚索间排距均为1.8×1.6(m)，二者锚索长度分别为7 m和4 m。锚杆索支护设计如图7所示。

图7 锚杆索支护设计图

4 工业性试验

将上述研究所确定的围岩控制技术应用到马兰矿10604运输顺槽，并进行围岩变形的监测，检验锚杆索网联合支护技术及相应支护参数的合理性。采用十字交叉法对10604运输顺槽顶底板及两帮围岩表面变形进行观测，如8所示。

由图8 围岩变形曲线的变化情况可看出，随运输顺槽掘进时间的增加，围岩变形量逐渐增大，当距离掘进工作95 m 后，围岩变形量的增速开始下降，并逐渐趋于稳定。在掘进的开始，顶板变形幅度约为4.2 mm/d，两帮围岩变形幅度约为5.5 mm/d，变形幅度较大。

图8 围岩变形曲线图

最终顶底板变形量稳定在178 mm，两帮变形量稳定在219 mm，围岩整体变形收敛得到有效控制，表明采用本文确定的支护技术方案，可有效地控制沿空掘巷巷道的变形破坏。

5 结语

以马兰矿10604 工作面为工程背景，对沿空掘巷巷道围岩控制技术进行了研究，得出以下主要结论：

（1）探究了不同锚杆索支护参数下对沿空掘巷巷道围岩的影响，确定了经济合理的支护参数，据此提出了锚杆索+钢筋网联合支护技术。

（2）采用锚杆索+钢筋网联合支护技后，巷道顶底板及两帮变形分别稳定在178 mm、219 mm，围岩变形得到了有效控制，验证了支护参数的合理性。