中兴矿3217沿空留巷底鼓特征及支护参数优化研究

武守富

（汾西矿业集团中兴煤业公司，山西 交城 030500）

1 工程背景

中兴矿3217工作面采用沿空留巷技术，3217材料巷为上区段3215工作面回采过程中通过高水充填材料而保留的巷道，工作面切眼长度为190m，沿走向回采长度为1600m。主要开采2号煤层，煤层均厚1.8m，上覆顶板为软弱复合顶板，主要成分为砂质泥岩、炭质泥岩与薄煤层的复合岩层。3217工作面巷道均为矩形断面，尺寸为5.0m（宽）×3.0m（高），原支护方式如图1所示。

顶板支护：选用22×2400mm的螺纹钢锚杆，锚杆间排距为790×800mm，除靠近巷帮的两根顶锚杆与水平方向成75°布置外，其余均垂直于顶板布置；每根锚杆配合使用K2355和Z2355锚固剂各一支；配合顶板锚杆，使用了W-280-3-4900-7型W钢带，尺寸为4900×280×3mm；顶板同时使用了锚索，尺寸为21.6×7300mm，间距1000mm，排距1600mm，锚固剂使用一支K2355型在上、两支Z2355型在下。

帮部支护：使用20×2200mm的螺纹钢锚杆，每排施工四根锚杆，上排锚杆距顶板300mm，锚杆间距均为800mm，排距800mm；锚固剂使用一支K2355型锚固剂，配合每根帮锚杆使用了尺寸为500×280×3mm的W钢带，上面三根帮锚杆的W钢带纵向布置，最下层的帮锚杆W钢带横向布置；帮部使用帮锚索，采用 21.6×5300mm的钢绞线锚索，间距为3200mm，据巷道顶板为1500mm。

图1 3217材料巷支护断面图

2 3217材料巷沿空留巷底鼓规律

中兴矿采用沿空留巷技术以来，在现场实践中主要遇到的问题就是留巷底鼓量大，尤其二次回采过程中底鼓变形更为剧烈，严重时需进行多次卧底返修，成为制约回采速度的最大瓶颈。在3217材料巷内布置2个围岩变形测站，超前回采工作面距离分别为80m和100m，对二次回采过程中巷道围岩变形进行观测。

3217材料巷二次回采期间底鼓变形曲线如图2所示。由图2可知，在二次回采期间巷道底鼓量最大为142mm，最大底鼓变形速率为34mm/d，巷道底鼓变形可分为缓增期、快速增长期和激增期。在工作面前方100～40m范围由于距离工作面较远，受回采动压影响较小，巷道底鼓变形量增长缓慢，底鼓量由0增长到40～50mm，最大底鼓变形速率为8mm/d，属于底鼓变形缓增期；在工作面前方40～20m范围，随着回采的推进，巷道底鼓变形进入快速增长期，底鼓量增加到70mm，最大变形速率增长到15mm/d；在工作面前方20m范围内，受到工作面回采超前支承压力的影响，巷道底鼓变形进入激增期，底鼓量由70mm激增到 128～142mm，最大底鼓变形速率达到34mm/d，发生严重底鼓变形。

图2 3217材料巷二次回采期间底鼓变形曲线

3 底鼓原因分析及防治技术

3.1 底鼓原因

巷道底鼓是高应力、破碎围岩巷道变形和破坏的一种主要方式。井下巷道实际破坏状况表明，中兴矿巷道底鼓形式以力学型为主。由于巷道处于高应力、破碎蠕变岩体中，结构面发育，整体性差，底鼓形状多为整体底鼓和弧状型底鼓，底鼓量较大，属于强烈底鼓，局部地段属于剧烈底鼓。

3.2 底鼓防治技术

高强度锚杆与锚索支护是一种优越的支护方式，可以取得良好支护效果。考虑到中兴矿巷道底板岩性条件较差，将底脚锚杆（索）支护与巷旁支护、巷内加强支护结合起来是一种有效控制巷道底鼓的方法。针对中兴矿巷道破坏特征，拟采用高强度锚杆索、管缝式锚杆与巷旁、巷内加强支护联合治理加固技术来控制中兴矿高应力、破碎围岩巷道底鼓。

结合工程设计经验，确定锚杆、锚索支护参数：顶底板、帮部锚杆长度不低于2m，间排距为0.8m～1.1m，锚杆直径大于18mm，顶锚索长度拟定为7.3m，帮锚索长度拟定为5.3m。

考虑到中兴矿沿空留巷变形以底鼓变形为主，结合“强帮强角固底”的支护理念，对原方案设计参数做出一定的优化，具体如下：

顶板支护优化：改变锚杆与锚索独立布置的布设方法，改为锚杆与锚索同排布设，用W钢带连接固定。即顶板每排布设3根锚索，替换中间及两侧第二根锚杆，锚杆排距保持不变，其中两侧的顶锚索分别向两边倾斜15°，以达到对角部的强化作用；将顶板锚杆排距由800mm调整到900mm。

帮部支护优化：帮部锚索与帮锚杆同排布置，替换从上向下第二根帮锚杆，每两排帮锚索之间增设一道锚索；将帮部锚杆用16×2800mm钢筋梯子梁固定；将帮锚杆的长度从2200mm调整到2400mm，和顶锚杆保持一致；将最上排帮锚杆向上倾斜15°布置，并将帮锚杆的锚固剂由原来一支Z2355改为与顶锚杆相同的锚固剂，即一支K2355锚固剂在上（孔底），一支Z2355锚固剂在下，以达到强化角部的效果；将帮锚杆排距由800mm调整到900mm。

底板支护优化：在巷道掘进时，对底板做圆弧状超挖，一方面改善围岩应力分布，另一方面可以作为抵御巷道底鼓变形的储备；在巷道底脚增设一排34×1800mm管缝式锚杆，用于抵御巷道底脚周围围岩的剪切变形，具体布置方式见图3所示。

图3 3217材料巷支护方案优化图

4 数值模拟计算

为了验证优化方案效果，利用FLAC3D软件进行建模分析。选择模型宽度为65m，高度为40.3m，进深长度为80m，模型共173850个单元，183396个节点。巷道尺寸为5m×3m，岩层参数见表1。

表1 煤岩体物理力学参数

模型边界条件为：底面固定，顶面自由，其余四面限制法向位移。模拟时在模型顶部施加补偿荷载，其值为模型顶面所处地层的自重应力。模型进行分步开挖，原方案每步1.6m，优化方案每步1.8m，两次开挖为一个循环，开挖阶段模拟16个循环，即原方案开挖51.2m，优化方案开挖57.6m。对锚杆和锚索的模拟均采用cable单元，W钢带则采用beam单元。

两种方案的顶底板移近量及两帮移近量如图4所示。可以看出，原方案在一次回采后顶底板移近量为311mm，两帮移近量为273mm，优化方案在一次回采后顶底板移近量为168mm，两帮移近量为202mm；原方案在二次回采后顶底板移近量为602mm，两帮移近量为655mm，优化方案在二次回采后顶底板移近量为315mm，两帮移近量为331mm。优化方案在各个时期的巷道变形均大幅小于原方案，巷道最终变形量在330mm左右，可以满足使用要求。

图4 两种方案不同时期巷道累计变形

巷旁支护所采用的不同支护措施对围岩变形情况及变形剧烈程度密切相关。若采用墙式巷旁支护方式时，充填体宽度也将是影响底臌的主要影响因素。现采用数值模拟的方法对巷旁充填体厚度进行优化设计。模拟根据填充体厚度不同设计了三种方案，设置监测点监测填充体厚度分别为2.5m、3m、5m时的巷道变形。巷道变形及塑性区分布如图5所示：

图5 不同宽度填充体巷道围岩塑性区分布

可以发现，随着填充体宽度增加，充填体承载面积不断增大，充填体下方塑性区分布面积增加。充填体宽度越大，分担力的面积越大，传递给底板造成的破坏范围相应也大；但相应的降低了煤壁一侧及充填体下方的应力集中，对抑制巷道底臌变形起到了积极的作用。位于巷道底板中点的监测点显示，充填体宽度由2.5m增加到3m时，底臌量减少了33%，充填体宽度由3m增加到5m时，底臌量仅减少8%。由此可见，一味地增加填充体宽度并不能更为有效地控制巷道变形，反而增加巷道建设成本。综上所述，应选择3m的填充墙作为巷旁支护。

5 结 论

1）巷道底鼓是高应力、破碎围岩巷道变形和破坏的一种主要方式。井下巷道实际破坏状况表明，中兴矿巷道底鼓形式以力学型为主。针对中兴矿巷道破坏特征，拟采用高强度锚杆索、管缝式锚杆与巷旁、巷内加强支护联合治理加固技术来控制中兴矿高应力、破碎围岩巷道底鼓。

2）由数值模拟可知：原方案在一次回采后顶底板移近量为311mm，两帮移近量为273mm，优化方案在一次回采后顶底板移近量为168mm，两帮移近量为202mm；原方案在二次回采后顶底板移近量为602mm，两帮移近量为655mm，优化方案在二次回采后顶底板移近量为315mm，两帮移近量为331mm。

3）优化方案在各个时期的巷道变形均大幅小于原方案，巷道最终变形量在330mm左右，同时将充填墙体宽度设置为3m，可以满足巷道使用要求。