孤岛工作面沿空巷道支护设计

2022-09-12

1. 工【面概况

某煤矿目前还没有进行孤岛工作面的开采，但从生产实际来看，孤岛工作面的形成不可避免，因此提前做好相关工作是非常有必要的。本文假设8204工作面为孤岛工作面进行研究，8204工作面位于3-5#煤层合并区，工作面的地质条件与首采面较为类似，2～3°为煤层倾角，为接近水平的煤层，工作面走向长度1230m，倾斜长度220m,260m～390m为埋深。合并区煤层夹矸6层左右，18.9m为全煤平均厚度，17.6m为纯煤平均厚度。

北二盘区主要有三条大巷，分别是1135皮带运输大巷接主斜井，1135辅助运输大巷接副斜井，和位于西侧与运输大巷同一方向安排1135回风大巷。运输大巷净高度4m，净宽度5.0m，净断面17.5m[2]。辅助运输大巷净高度4.3m，净宽度5.6m，净断面20.7m[2]。回风大巷净高度4.3m，净宽度5.6m。三条大巷全部为半圆拱断面，均采用锚杆+锚索+金属网+喷射混凝土支护。

2. 孤岛工【面运巷支护方案及【数设计

由于孤岛工作面的特殊性，其沿空巷道围岩所受应力将高于一般工作面，原来的巷道支护方案恐怕不能维护孤岛面巷道的稳定。为了保证巷道的安全，需要在原有巷道支护方案的基础上重新对支护参数进行设计，从而能够保证回采工作面安全，使采煤工作能快速有效进行。

(1)杆长度应满足下式

式中：Lb-为锚杆的总长度;Lb1-为锚杆的外露长度(一般0.1～0.15m)，根据该矿实际情况确定Lb1为0.1m;Lb2-为锚杆的有效长度，可根据巷道围岩松动圈范围确定，实测松动圈的深度在1.5m～2.1m范围内，取2.1mm;Lb3-为锚杆锚固长度，一般取0.3m～0.4m，取0.4m。

(2)锚杆直径

锚杆直径d可按下式计算：

经计算锚杆直径为22mm。

(3)锚索长度的确定

式中：La-锚索长度，m;La1-为锚索外露长度，据规定要求锚索外露长度不得大于0.3m,La1取0.3m;La2-锚索有效长度，根据巷道实际情况选取值取5m;La3-锚索锚固长度(一般1m～2m)，取最大值2m。

将相关参数代入计算可得：La≥7.3m。

因此，锚索长度不小于7.3m，取7.5m。

对于锚杆间排距，无论顶锚杆还是帮锚杆间排距均为900×900mm，托盘均选用高强度托盘，锚杆锚固长度为1200mm，锚固力不小于6t，预紧力矩不低于150N·m。顶板锚索采用三三布置，排间距为1500×1800mm，锚索锚固段长度1500mm，锚索预紧力不低于200N·m。

3. 数值模拟分析

(1)数值模型建立

为了研究原支护方案与改进的现支护方案支护效果的差别，需要观察巷道支护数值模型中的应力云图，以便对两支护方案中锚杆预应力作用机理、扩散状态以及产生的附加应力场进行研究，特将模拟范围设定为长×宽×高=45m×7m×32.71m的区域，各层主要岩层物理、力学参数如表1所示。

(2)垂直应力变化分析

从图1(a)和图1(b)可以看出，当加上锚索支护时，从垂直应力方面上看，锚索使锚杆之间的联系更加紧密，锚索锚杆组合可显著的提高附加应力场的压应力值，可形成多个应力高于锚杆单独作用时的高应力区，锚网索联合支护主动支护围岩，在巷道顶板形成很好的较大的压应力区，但对巷道左右两帮基本没起到作用。图1(c)和图1(d)为原方案和现方案巷道剖面垂直应力对比，可以看出原支护方案在巷道顶板形成0.05MPa压应力区，现支护方案在巷道顶板形成0.1MPa压应力区。

(3)水平应力变化分析

从图2(a)和图2(b)可以看出，增加锚索支护后，不仅增大了锚杆每排形成的压应力，而且排间的压应力也增加了，锚网索联合支护在巷道围岩形成了较为紧密和复杂的水平压应力区。图2(c)和图2(d)为原方案和现方案巷道剖面对比，可以看出原支护方案在巷道围岩形成0.04MPa水平压应力区，范围较小，现支护方案在巷道围岩形成0.05MPa水平压应力区，范围基本覆盖整个巷道围岩。

(4)巷道围岩变形分析

对巷道进行锚网索联合支护的目的就是保证巷道的稳定性，这就需要观察在支护条件下巷道围岩变形情况。图3是在巷道顶板布置5个测点记录支护下顶板下沉量，巷道顶板下沉量对称，顶板左右两边下沉量较小，顶板中部下沉量较大，图4是在巷道底板对应布置测点记录底鼓量，巷道底板变形量非对称，最大变形量发生在底板中部，左边(靠近煤柱侧)变形量大于右边(实体煤侧)。巷道原支护和现支护的巷道顶底板变形对比，在原支护条件下，巷道顶板最大下沉量为0.44m，最小下沉量为0.37m，现支护条件下，巷道顶板最大下沉量为0.21m，最小下沉量为0.18m，最大下沉量和最小下沉量相差不大。对于底板，原支护下最大底鼓量为0.28m，最小底鼓量为0.16m，现方案下最大底鼓量为0.25m，最小底鼓量为0.14m。可以看出巷道支护方案参数变动对巷道底板变形的几乎没什么影响，但对巷道顶板变形有一定控制作用。