孤島煤柱影響下底板巷道差異化加固技術(shù)研究

于鴻飛

(西山煤電股份公司鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

煤層的開采會引起回采空間周圍巖層應(yīng)力重新分布，不僅在周圍煤體上造成應(yīng)力集中，還會向底板傳遞。布置在尚未開采工作面下部的底板巷道，經(jīng)歷上區(qū)段工作面回采和本區(qū)段工作面回采兩次動壓影響，巷道圍巖應(yīng)力反復(fù)擾動變化，圍巖變形速度也隨之變化。同時，煤層開采后孤島煤柱內(nèi)的支撐壓力呈馬鞍形分布，應(yīng)力增高系數(shù)為3.5左右，底板巖層內(nèi)同一水平面上垂直應(yīng)力以煤柱中心線處最小，靠近煤柱邊緣出現(xiàn)峰值，支撐壓力影響深度為3～4倍煤柱寬度［1－3］。因此，此類底板巷道往往難于維護(hù)。

1 工程概況

某煤礦為高瓦斯礦井，煤塵具有爆炸危險性。Ⅳ1專用回風(fēng)道擔(dān)負(fù)著整個Ⅳ1采區(qū)的回風(fēng)任務(wù)，巷道支護(hù)狀況的好壞直接決定整個采區(qū)的通風(fēng)安全。長期以來，Ⅳ1專用回風(fēng)道受Ⅳ3217和Ⅳ3218工作面采動及停采后形成的永久煤柱支承壓力的影響，巷道變形嚴(yán)重，雖多次修復(fù)，但巷道有效使用斷面仍然難以得到保障，其相對位置關(guān)系見圖1。因此，為了保障礦井安全高效生產(chǎn)，迫切需要研究Ⅳ1專用回風(fēng)道圍巖的失穩(wěn)機理，進(jìn)而解決煤柱支承壓力影響下巷道的支護(hù)技術(shù)問題。

Ⅳ1專用回風(fēng)道為半煤巖巷道，主要施工層位為4煤層，其中41煤層厚度為1.25 m，42煤層厚度為0.5 m，中間有0.5 m 泥巖夾矸，煤層傾角 10°～33°，平均21°。直接頂為灰白色細(xì)、中粒砂巖，厚度在7.3 m左右，直接底為灰－灰黑色泥巖，厚度為2.2 m。

圖1 Ⅳ1專用回風(fēng)道相對位置關(guān)系圖

Ⅳ1專用回風(fēng)道采用U型鋼棚支護(hù)，局部段采用錨索補強加固。巷道變形特征突出，表現(xiàn)為兩幫強烈內(nèi)移，棚腿扭曲變形，同時底鼓強烈，巷道使用斷面難以得到保障，嚴(yán)重影響礦井安全高效生產(chǎn)，現(xiàn)有巷道破壞狀況見圖2。

圖2 巷道破壞狀況示意圖

2 數(shù)值模擬分析

2.1 建立數(shù)值分析模型

根據(jù)Ⅳ1專用回風(fēng)道與上煤層工作面相對位置關(guān)系，采用FLAC2D建立相應(yīng)的數(shù)值分析模型，見圖3。模型寬130 m，高50 m，根據(jù)模型的幾何尺寸劃分計算模型網(wǎng)格，上邊界載荷按埋深530 m計算，模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。煤柱位于模型中部，煤柱寬40 m，高2.6 m，煤柱兩側(cè)采空。Ⅳ1專用回風(fēng)道斷面形狀為直墻半圓拱形，寬3 m，高2.9 m。

圖3 數(shù)值模擬模型圖

2.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

由于Ⅳ1專用回風(fēng)道與上煤層孤島煤柱斜交，巷道與煤柱邊緣之間的水平距離大小，是影響其周邊圍巖應(yīng)力分布的重要因素，也是影響巷道圍巖變形的關(guān)鍵因素之一。

因此，重點模擬回風(fēng)道與煤柱邊緣的水平距離x0取不同數(shù)值時，巷道周邊圍巖的應(yīng)力分布特點。x0分別取值為6 m，0 m，－6 m，巷道垂直應(yīng)力分布圖見圖4。

圖4 不同距離巷道垂直應(yīng)力分布圖

由圖4可知，當(dāng)x0=6 m時，Ⅳ1專用回風(fēng)道，整體處于永久煤柱的應(yīng)力降低區(qū)，頂板圍巖最大垂直應(yīng)力為3.8 MPa;左幫在采空區(qū)內(nèi)側(cè)，最大垂直應(yīng)力為14 MPa，距離巷道左幫9 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.06;右?guī)涂拷谰妹褐?，在距巷道右?guī)?0 m處出現(xiàn)最大垂直應(yīng)力18 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.36;底板最大垂直應(yīng)力為4 MPa。當(dāng)x0=0 m時，巷道處于永久煤柱與采空區(qū)邊緣，通過監(jiān)測，巷道頂板最大垂直應(yīng)力9 MPa;左幫最大垂直應(yīng)力沒有變化，仍為14 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.06;右?guī)妥畲蟠怪睉?yīng)力增大為24 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.82，距巷道右?guī)? m處出現(xiàn);底板最大垂直應(yīng)力為8 MPa。當(dāng)x0=－6 m時，巷道處于永久煤柱的應(yīng)力增高區(qū)，巷道發(fā)生強烈變形，頂板最大垂應(yīng)力增至20 MPa;左幫最大垂直應(yīng)力位于距巷道左幫7 m處，大小為18 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.36;在直距巷道右?guī)? m處，右?guī)妥畲蟠怪睉?yīng)力為27 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.05;底板最大垂直應(yīng)力為8.5 MPa。

當(dāng)上煤層開采留設(shè)永久煤柱護(hù)巷時，為了減小煤柱中形成的支撐壓力對巷道的影響，巷道應(yīng)盡量布置在煤柱形成的支撐壓力降低區(qū)或不受煤柱影響的原巖應(yīng)力區(qū)［4］。從上述分析中可以看出，即使巷道位于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，受永久煤柱載荷作用的影響，巷道圍巖的應(yīng)力仍然高于圍巖體強度，巷道維護(hù)也很困難，同樣需要加強支護(hù)。

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實際勘察情況，Ⅳ1專用回風(fēng)道局部段出現(xiàn)強烈變形是上煤層孤島煤柱中形成的高支撐壓力向底板傳遞的結(jié)果?？刂拼祟惛邞?yīng)力作用下巷道的強烈變形，不僅要求支護(hù)體應(yīng)具備較高的支護(hù)阻力，而且要求具備高強穩(wěn)定特性［5－6］。

3.1 差異化支護(hù)方案

現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬結(jié)果均顯示，底板巷道與上煤層孤島煤柱處于不同位置關(guān)系時，巷道變形差異較大。為實現(xiàn)安全生產(chǎn)、節(jié)約成本、支護(hù)由簡單到復(fù)雜，根據(jù)巷道與上方煤柱的空間位置關(guān)系，針對不同段巷道圍巖變形破壞特征規(guī)律，選擇不同的支護(hù)方案。

對于巷道變形較小區(qū)段，實施方案一進(jìn)行支護(hù)。基本支護(hù)為U29型鋼棚支護(hù)，棚距為500 mm，同時配合錨桿和錨索支護(hù)，錨桿型號為d20 mm×2000 mm，錨索型號為d15.24 mm×5000 mm的1860鋼絞線，具體支護(hù)參數(shù)見圖5。

對于在煤柱邊緣下方區(qū)域巷道圍巖變形破碎嚴(yán)重區(qū)段，采用方案二進(jìn)行支護(hù)。在U29型鋼棚支護(hù)基礎(chǔ)上，通過在幫部和肩部采用錨索進(jìn)行結(jié)構(gòu)補償。為提高支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，采用控底措施控制底板變形。

圖5 支護(hù)方案一

根據(jù)現(xiàn)場錨桿、索施工情況，對圍巖過于破碎地段進(jìn)行注漿加固。一方面提高錨桿、索施工質(zhì)量，改善其著力基礎(chǔ)，加強錨桿、索支護(hù)效果。另一方面改善淺部圍巖松散結(jié)構(gòu)，提高淺部巖體整體性，有利于U型鋼支架支護(hù)性能的發(fā)揮。具體支護(hù)參數(shù)見圖6。

圖6 支護(hù)方案二

3.2 控制效果

Ⅳ1專用回風(fēng)道采用差異化支護(hù)后，選取典型斷面，對巷道變形進(jìn)行實時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖7。

圖7 Ⅳ1專用回風(fēng)道觀測站圍巖位移量

由圖7可以看出，采用差異化支護(hù)后約45天，Ⅳ1專用回風(fēng)道變形趨于穩(wěn)定，巷道頂?shù)装謇塾嬜冃渭s30 mm，兩幫相對移近量約55 mm。從現(xiàn)場觀測結(jié)果看，頂板下沉量大于底鼓量，采取控底措施后，底板變形得到有效控制。

4 結(jié)論

1)當(dāng)上部煤層留設(shè)永久煤柱護(hù)巷時，煤柱下方底板巖層一定范圍內(nèi)形成增壓區(qū)的同時，附近還存在一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)。底板巷道的位置選擇，應(yīng)盡量選擇支承壓力降低區(qū)或原巖應(yīng)力區(qū)。

2)根據(jù)差異化支護(hù)的方法，有針對性地對不同類型、不同條件下的巷道采用差異化的支護(hù)技術(shù)及方案，實現(xiàn)支護(hù)有效性的同時，實現(xiàn)了生產(chǎn)的高效益。

3)注漿加固能夠有效改善淺部圍巖的松散結(jié)構(gòu)，便于錨桿、索施工，提升其實際支護(hù)性能。同時，提高淺部圍巖的整體性，有利于U型鋼支架承載性能的發(fā)揮。

［1］侯朝炯.巷道圍巖控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2012:16－19.

［2］陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994:25－27.

［3］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003:69－70.

［4］胡艷峰.近距離煤層群開采底板巷道圍巖控制技術(shù)研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)碩士論文，2013.

［5］田 磊，謝文兵，古際亮，等.底板跨采巷道錨網(wǎng)索支護(hù)效果分析［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2011，27(4):22－24.

［6］李宇龍，丁國鋒，馬海濤.受鄰近工作面采動影響的巷道加固研究與實踐［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2013，7(7):40－42.