厚煤層小煤柱巷道采掘交鋒前后支護(hù)體受力研究

郭東煜

（同煤集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037016）

在礦井開采中，各工作面間的保護(hù)煤柱成為制約煤炭開采率的重要因素，尤其是在厚煤層中，小煤柱的應(yīng)用逐漸得到推廣，但與此同時(shí)，另一個(gè)問題--采掘交鋒越顯突出。眾所周知，隨著煤柱尺寸的減小，臨近工作面回采產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力對(duì)巷道掘進(jìn)的影響程度不斷增加〔1-3〕，而能否采取合理的支護(hù)措施成為影響煤礦安全生產(chǎn)的重要因素。

本文以同煤集團(tuán)晉華宮礦12-3＃層301盤區(qū)8107工作面為研究對(duì)象，利用FLAC3D〔4-5〕軟件模擬研究厚煤層在留設(shè)小煤柱時(shí)采掘交鋒前后錨網(wǎng)支護(hù)體的受力變化規(guī)律，為巷道合理支護(hù)方案的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

8107工作面北部為12-3＃層301 盤區(qū)5109（未掘巷道）；東部至12-3＃層301盤區(qū)軌道巷，南部為正在回采的12-3＃層301盤區(qū)8105工作面，西部為實(shí)體，也是巷道掘進(jìn)方向。根據(jù)生產(chǎn)安排，在8105工作面回采的過程中，需要開掘8107工作面的5107巷道（見圖1），5107巷道與2105巷道間煤柱寬度12m。

12-3＃煤層平均埋深325m，厚度2.0～6.09m，平均4.05m，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，普含一層夾石，呈“楔狀”分布，傾角2°～6°，平均4°，老頂上部為黑灰色細(xì)砂巖，下部為黑色砂質(zhì)頁巖，致密狀結(jié)構(gòu)，厚9.34 m，直接頂為灰黑色細(xì)砂頁巖，成分有石英、長石，次為黑色礦物，含炭中薄層砂質(zhì)頁巖，下部水平波狀層理較發(fā)育，厚2.10m，底板為深灰色砂質(zhì)頁巖，致密狀結(jié)構(gòu)，巖層厚度較大。根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，該層煤體沒有明顯的構(gòu)造應(yīng)力，圍巖應(yīng)力以自重應(yīng)力為主。

5107巷道斷面形式為矩形，寬4.5m，高2.8m，設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)支護(hù)，設(shè)計(jì)長度600m，施工時(shí)沿12-3＃煤層頂板掘進(jìn)，煤層厚度2.9～3.2m 時(shí)，見頂見底掘進(jìn)；當(dāng)煤層厚度大于3.2m 時(shí)，沿頂留底掘進(jìn)。為了后續(xù)分析的方便，在橫斷面圖中對(duì)錨桿錨索進(jìn)行編號(hào)，從左幫到右?guī)?，順時(shí)針依次編號(hào)錨桿為1?！?＃，錨索為9＃和10＃（見圖2）。

圖1 采掘巷道平面位置

圖2 5107巷支護(hù)設(shè)計(jì)橫斷面

2 采掘交鋒前后支護(hù)體受力變化研究

2.1 模型的建立

采用巖土工程專用數(shù)值模擬軟件FLAC3D進(jìn)行研究，以煤層下底面中心為原點(diǎn)，x軸正、負(fù)方向各取25m，y方向取單位長度，z軸正方向取30m，負(fù)方向取25m，煤柱部分為x=2.25～14.25m 部分，右側(cè)14.25～25.0m 范圍內(nèi)模擬8105 面的回采。按平均巖體容重2.5kN／m3計(jì)算，模型上表面施加豎向應(yīng)力7.0 MPa模擬上部的巖層自重，側(cè)壓力系數(shù)取0.5，施加水平應(yīng)力3.5 MPa，上部自由面，其余五面均采用滑動(dòng)鉸支座的位移邊界。為了降低計(jì)算工作量，而又不影響研究效果，采用漸變單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，巷道周圍單元格劃分較密，向外尺寸逐漸增加，共劃分8670個(gè)單元，17716個(gè)節(jié)點(diǎn)，采掘交鋒模型見圖3。

圖3 采掘交鋒模型

2.2 采掘交鋒前支護(hù)體受力分析

采掘交鋒前，巷道開挖穩(wěn)定后，錨桿受力及圍巖位移見圖4-a，利用FLAC3D自動(dòng)的fish函數(shù)提取錨桿錨索的受力量值，以錨固端為起點(diǎn)，做出不同位置處錨桿軸力的分布見圖4-b。

圖4 采掘交鋒前錨桿軸力分布

由圖4-a可知，由于沒受到臨近工作面回采的影響，沿巷道中心線對(duì)稱的錨桿錨索受力量值相同，頂板錨桿的軸力明顯小于兩幫。根據(jù)圖4-b，錨桿錨固段軸力隨錨固長度的增加呈線性增長；左幫1＃、2＃錨桿軸力43.73kN和38.25kN，前者為后者的1.14倍，可見越靠近兩幫中部，錨桿受力越大；在頂板錨索的存在下，頂板錨桿受力基本相同，為16kN 左右，約為兩幫的2／5，但頂板錨索軸力達(dá)到71.33kN，為兩幫錨桿的1.6～1.9倍，約為頂板錨桿的4.5倍，可見錨索的安裝承擔(dān)了頂板下部不穩(wěn)定巖層的絕大部分自重。

2.3 采掘交鋒后支護(hù)體受力分析

采掘交鋒后，錨桿軸力分布見圖5。

圖5 采掘交鋒后錨桿軸力分布

由圖5可知，8105工作面回采后，側(cè)向支承壓力使得5107巷圍巖應(yīng)力不再對(duì)稱，從下往上，左幫2根錨桿軸力分別為60.7kN 和50.6kN，右?guī)蛯?duì)稱位置錨桿自由段軸力為62.5kN 和46.8kN，與左幫相比，右?guī)途嚯x8105面更近，煤幫中部錨桿軸力較左幫大，而靠近頂板錨桿的軸力剛好表現(xiàn)出相反的規(guī)律。

在巷道頂板，從左向右，4根錨桿最大軸力分別為16.6kN、16.3kN、16.1kN 和15.5kN，呈線性降低，但降低幅度不大，究其原因，主要是由于5107 巷頂板多為砂巖，強(qiáng)度和完整性都較高，使5107巷頂板呈現(xiàn)出一個(gè)“巖梁”，在8105面?zhèn)认蛑С袎毫Φ淖饔孟?，“巖梁”發(fā)生整體的沉降，其內(nèi)部各巖層之間的相對(duì)位移變化較為均勻，圖5-a中圍巖位移的分布也同樣說明了這一點(diǎn)。

2.4 采掘交鋒對(duì)支護(hù)體受力的影響

綜合圖4-b和圖5-b，可以發(fā)現(xiàn)，錨桿錨索自由段軸力保持最大，將相同位置錨桿錨索采掘交鋒后最大軸力與交鋒前量值進(jìn)行比值，分析交鋒對(duì)支護(hù)體受力的影響（見圖6）。

圖6 采掘交鋒前后錨桿錨索軸力反比

由圖6可知，采掘交鋒后，煤幫中部錨桿軸力為交鋒前的1.39和1.43倍，右?guī)洼S力變化較左幫大，并且越靠近頂板，錨桿軸力變化程度越小；在頂板圍巖中，采掘交鋒前后頂板4根錨桿和2根錨索的軸力之比均在1.0左右波動(dòng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了頂板整體“巖梁”的存在。

考慮到采掘交鋒后煤幫中部錨桿軸力較大，增長幅度劇烈以及麻花頭錨桿承載力較大，在實(shí)際施工中，將巷道每幫的2根錨桿增加到3根，間距從1000mm 降低到800 mm?，F(xiàn)今，8107工作面已經(jīng)順利開始回采，5107 巷圍巖保持較為穩(wěn)定。

3 結(jié)語

采掘交鋒對(duì)煤幫中部錨桿軸力影響較其他部位大；采掘交鋒影響前后煤幫中部錨桿軸力的反比量值為1.4左右，均大于其它部位錨桿（索）軸力的增加比例，同時(shí)，鑒于錨桿自身的承載力，在實(shí)際施工中，適當(dāng)增加幫部錨桿的用量，有效的保持了5107巷的穩(wěn)定性。

〔1〕郜進(jìn)海，康天合，靳鐘銘，等.巨厚薄層狀頂板回采巷道圍巖裂隙演化規(guī)律的相似模擬試驗(yàn)研究〔J〕.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（19）：3292-3298.

〔2〕侯圣權(quán)，靖洪文，楊大林.動(dòng)壓沿空雙巷圍巖破壞演化規(guī)律的試驗(yàn)研究〔J〕.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（2）：265-268.

〔3〕郝進(jìn)海.薄層狀巨厚復(fù)合頂板回采巷道錨桿錨索支護(hù)理論及應(yīng)用研究〔D〕.太原：太原理工大學(xué)，2005.

〔4〕何滿潮，王曉義，劉文濤，等.孔莊礦深部軟巖巷道非對(duì)稱變形數(shù)值模擬與控制對(duì)策研究〔J〕.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（4）：673-678.

〔5〕汪成兵.均質(zhì)巖體中隧道圍巖破壞過程的試驗(yàn)與數(shù)值模擬〔J〕.巖土力學(xué)，2012，33（1）：103-108.