孤島工作面動(dòng)壓巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

于志慧

（西山煤電股份有限公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203）

由于煤層的開(kāi)采引起回采空間周?chē)簬r層應(yīng)力重新分布，如果相鄰工作面巷道支護(hù)方式不合理，極可能出現(xiàn)大變形而導(dǎo)致巷道難于維護(hù)、使用。為保證安全施工及減少二次維護(hù)費(fèi)用，必須對(duì)動(dòng)壓巷道支護(hù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

1.1 孤島動(dòng)壓工作面基本概況

西山煤電股份公司鎮(zhèn)城底礦22613工作面位于+760水平南六采區(qū)，所采煤層為2.3#煤，地面標(biāo)高為1080～1189m，工作面標(biāo)高為790～810m，蓋層厚度為270 ～399m.

22613工作面井下位于南六采區(qū)，東為22615工作面（已回采），西為22611工作面（已回采），南為22620工作面，北東為金之中小煤礦。22613工作面為孤島工作面，22613軌道巷為動(dòng)壓巷道。

1.2 動(dòng)壓巷道圍巖條件

22613工作面軌道巷沿2.3#煤層掘進(jìn)，煤層穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)為：2.2（0.4）0.50m，煤層厚度為3.10 m，整體呈單斜構(gòu)造，大致由北西向南東傾斜，煤層傾角平均為3°.

2.3#煤偽頂為泥巖，厚度為0 ～0.3m，隨掘隨冒；直接頂為砂質(zhì)泥巖與細(xì)砂巖互層，厚度為1.15 m，局部偽頂發(fā)育；老頂為砂質(zhì)泥巖與細(xì)砂巖互層，厚度為8.43m，呈灰黑色，以砂質(zhì)泥巖為主；底板為砂質(zhì)泥巖，厚度為5.01m，黑色砂質(zhì)泥巖。巷道的直接頂和直接底均以砂質(zhì)泥巖為主，頂?shù)装宓姆€(wěn)定性較差，在掘進(jìn)期間很容易引起底鼓現(xiàn)象。

2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試

測(cè)試了頂板7.2m范圍內(nèi)巖層的強(qiáng)度，見(jiàn)圖1，以及在煤幫10m范圍內(nèi)煤層的強(qiáng)度，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)給出了強(qiáng)度分布特征圖，見(jiàn)圖2.根據(jù)圖1，圖2測(cè)試結(jié)果，可知頂板巖層及煤層強(qiáng)度分布的特征，見(jiàn)表1.

圖1 頂板煤巖體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖

3 南六采區(qū)地應(yīng)力測(cè)試

鎮(zhèn)城底礦地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2.

圖2 2.3#煤體強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖

表1 頂板巖層及煤層強(qiáng)度分布特征表

表2 鎮(zhèn)城底礦地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表

南六區(qū)2.3#煤層所測(cè)區(qū)域地應(yīng)力分布具有以下特征：

該礦南六采區(qū)2.3#煤層所測(cè)區(qū)域地應(yīng)力在量值上屬于中等偏低應(yīng)力值區(qū)域。區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹67.3°W.

孤島工作面受相鄰工作面回采、巷道掘進(jìn)和本工作面回采影響，煤柱和實(shí)體煤上方往往賦存著較大的動(dòng)態(tài)支承壓力，這些高集中應(yīng)力是巷道產(chǎn)生動(dòng)壓現(xiàn)象的誘因，見(jiàn)圖3，圖4.由于工作面的回采會(huì)在煤柱上方形成數(shù)倍于原巖應(yīng)力的應(yīng)力，這種應(yīng)力極易導(dǎo)致護(hù)巷煤柱的屈服和變形，最終導(dǎo)致相鄰工作面的回采巷道出現(xiàn)兩幫鼓出、兜包、片幫和低幫斷裂鼓起。

4 孤島工作面動(dòng)壓巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

4.1 數(shù)值模擬分析

南六采區(qū)22613工作面軌道巷與相鄰22611工作面采空區(qū)間隔30m寬度煤柱，22611工作面于2013年完成回采，工作面布置見(jiàn)圖5，工作面采空區(qū)的穩(wěn)定是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。22613軌道巷服務(wù)期間22611采空區(qū)尚未完全穩(wěn)定，頂板巖層活動(dòng)產(chǎn)生的殘余支承壓力將會(huì)對(duì)22613軌道巷產(chǎn)生顯著的影響，加大了巷道支護(hù)難度，如果巷道支護(hù)不合理，有可能出現(xiàn)頂板破碎下沉，甚至可能出現(xiàn)冒頂?shù)臓顩r。為更好地了解圍巖受力狀態(tài)，采用大型FLAC3D數(shù)值軟件，分析22613軌道巷的圍巖受力和變形特征，為合理的支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)。

圖3 采空區(qū)周?chē)鷳?yīng)力重分布圖

圖4 護(hù)巷煤柱在回采工作面前后方的應(yīng)力分布圖

圖5 試驗(yàn)工作面22613平面布置簡(jiǎn)圖

4.2 模型建立

根據(jù)試驗(yàn)22613 面地質(zhì)條件，建立相應(yīng)的FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸為250000×100000×50000（mm），劃分為343750節(jié)單元和359856個(gè)節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖6.根據(jù)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果知，所測(cè)區(qū)域最大水平主應(yīng)力：σH=10.58MPa，最小水平主應(yīng)力：σh=5.44MPa，該區(qū)段巷道平均埋深為335m，計(jì)算可得垂直主應(yīng)力選取為：σv=9.375MPa.在建模過(guò)程中嚴(yán)格按照地質(zhì)剖面圖的尺寸，坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，XOY平面取為水平面，Z軸取鉛直方向，并且規(guī)定向上為正，整個(gè)坐標(biāo)系符合右手螺旋法則。三維模型的邊界條件取為：上部為自由邊界，四周和底部采用鉸支。

圖6 數(shù)值模型圖

4.3 模擬結(jié)果分析

工作面回采過(guò)程中在工作面前方煤體和側(cè)方煤柱上形成支承壓力集中，會(huì)對(duì)巷道產(chǎn)生影響。

4.3.1 工作面回采后煤柱支承壓力分布

模擬首先計(jì)算了22611工作面回采過(guò)后，在側(cè)向煤體中形成的支承壓力分布狀況。

1）煤柱一側(cè)采空后，受到強(qiáng)烈采動(dòng)影響，煤柱在靠近采空側(cè)應(yīng)力急劇增加至35.6MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到4.25，距煤幫距離約為2.0m.

2）側(cè)向支承壓力的峰值隨著向煤柱的深部移動(dòng)逐漸呈遞減趨勢(shì)，當(dāng)增加到一定距離時(shí)接近于原巖應(yīng)力?？紤]到22613工作面同22611工作面間的煤柱寬度為20m，煤體中的支承壓力為12MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.4，高于原巖應(yīng)力，那么在此范圍掘進(jìn)巷道，必然會(huì)受到支承壓力的作用。

從上面的分析可以看出，在22613軌道巷掘進(jìn)的位置，煤體中呈現(xiàn)出了應(yīng)力集中，雖然應(yīng)力集中程度并不高，但是由于工作面回采過(guò)后，采空區(qū)的應(yīng)力變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，導(dǎo)致煤柱上賦存著巨大的動(dòng)態(tài)支承壓力，使得巷道更加難以維護(hù)。

4.3.2 軌道巷掘進(jìn)時(shí)煤柱支承壓力分布

當(dāng)22613軌道巷掘進(jìn)時(shí)，圍巖呈現(xiàn)出以下特征：

1）軌道巷掘進(jìn)時(shí)改變了圍巖原有的應(yīng)力分布狀態(tài)，圍巖的應(yīng)力由12MPa升至14.6MPa，并且使得靠近采空區(qū)邊緣的煤柱中支承壓力也發(fā)生了改變，支承壓力峰值達(dá)38.9MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到4.64.

2）煤柱寬度為20m時(shí)，工作面回采產(chǎn)生的支承壓力仍會(huì)影響巷道周?chē)膽?yīng)力分布，在距離巷道左幫邊緣至煤柱內(nèi)2.0m，圍巖的應(yīng)力呈現(xiàn)出一個(gè)急劇減小的過(guò)程，通過(guò)礦壓理論可知，該范圍內(nèi)的煤體發(fā)生了屈服破壞，在巷道支護(hù)時(shí)必須控制住該屈服范圍的增加。

采空區(qū)上覆巖層的結(jié)構(gòu)處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，22613軌道巷將長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)受到采動(dòng)作用，巷道變形將長(zhǎng)期處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，應(yīng)盡量減小該巷道的放置時(shí)間。

4.4 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

為了提出更加合理的支護(hù)方案，對(duì)現(xiàn)有的支護(hù)方案進(jìn)行分析：

22613軌道巷掘進(jìn)長(zhǎng)度約700m，巷道寬4.5m，高3.0m，現(xiàn)有的支護(hù)方式為：頂板錨桿規(guī)格為d20-M22-2200mm，間排距：1000mm×900mm；幫錨桿采用d20-M22-2200mm，間排距：1000mm×900mm；錨索規(guī)格d17.8-1×7-6500（mm），間排距：1200mm×1800mm，矩形布置；錨桿預(yù)緊力矩175N·m，錨索的預(yù)緊力≥120kN.根據(jù)對(duì)支護(hù)材料及支護(hù)參數(shù)分析得出以下結(jié)論：1）錨桿錨索預(yù)應(yīng)力重視程度不夠。2）支護(hù)形式較為單一。3）動(dòng)壓巷道幫部支護(hù)強(qiáng)度偏弱。

4.4.1 對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化

1）巷道頂板支護(hù)。

巷道寬4.5m，高3.0m.錨桿形式和規(guī)格：桿體為直徑d22mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，鋼號(hào)400#，長(zhǎng)度2.4m，桿尾螺紋為M24，采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固；采用W 鋼帶加金屬網(wǎng)護(hù)頂；頂錨桿排距1000mm，每排5根錨桿，間距1000mm.錨桿預(yù)緊力矩：≥300 N·m.錨索形式和規(guī)格：公稱(chēng)直徑22mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度5300mm.錨索布置：采用二二布置，每隔2.0m布置2根，間距2000 mm，垂直頂板巖層安裝。錨索預(yù)緊力：200kN.

2）兩幫支護(hù)。

錨桿形式和規(guī)格：桿體直徑d22mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，鋼號(hào)400#，長(zhǎng)度2.4m，桿尾螺紋為M 24.樹(shù)脂錨固，采用W 鋼護(hù)板加金屬網(wǎng)護(hù)幫，幫錨桿排距1000mm，每排3根錨桿，間距1000mm.錨索形式和規(guī)格：公稱(chēng)直徑22 mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度4 300mm，錨索布置：采用二二布置，每隔2.0m布置2根，間距2000mm，最上一根距頂板500mm，垂直頂板巖層安裝。錨索預(yù)緊力：200kN.

5 結(jié) 論

通過(guò)與北京天地公司合作，22613軌道巷采用了優(yōu)化后的支護(hù)方案，取得良好的效果。目前，22613工作面已經(jīng)回采剩余90m，軌道巷在掘進(jìn)及回采期間均未出現(xiàn)較大變形，減少了巷道二次維護(hù)工程和維護(hù)費(fèi)用。通過(guò)對(duì)支護(hù)材料消耗量分析，通過(guò)分析以前類(lèi)似巷道的材料消耗，原支護(hù)方案消耗1753元／m，二次維護(hù)費(fèi)用約1200元／m，合計(jì)需要消耗約2953元／m，而優(yōu)化后的支護(hù)方案消耗2117元／m，無(wú)需進(jìn)行巷道的二次維護(hù)。

綜上所述，優(yōu)化后的支護(hù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護(hù)。

2）遵循了“三高一低”原則，即高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則。在提高錨桿強(qiáng)度、剛度，保證支護(hù)系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護(hù)密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進(jìn)速度。

3）保證了巷道支護(hù)效果和安全程度，并且經(jīng)濟(jì)合理，降低了巷道支護(hù)綜合成本。

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