厚煤層巷道沿底掘進圍巖變形特征與支護技術(shù)研究

張 震，方樹林

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

我國厚煤層 (煤厚≥3.5 m)的儲量和產(chǎn)量占我國現(xiàn)有煤炭儲量和產(chǎn)量的45%左右［1］，是礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效開采的主力煤層。以山西潞安集團佳瑞煤業(yè)為例，該礦開采下二疊統(tǒng)太原組15號煤，平均層厚6.62m，最大層厚達8.57m，屬于典型的厚煤層礦井。煤層厚的特點決定了該類型煤層的礦井中沿底掘進巷道必然以全煤巷道居多。全國厚煤層礦區(qū)全煤巷道工程約占新建礦井井巷工程總量的40%以上［2］。由于煤體松軟、強度低、易變形等特點，厚煤層巷道支護難度較一般巷道困難。

安全、有效、快速的煤巷支護技術(shù)是保證厚煤層礦井高產(chǎn)高效和安全生產(chǎn)的必要條件。許多學(xué)者對此進行了研究，提出了多種支護方案［3－6］，但是多數(shù)未分析清楚厚煤層巷道掘進應(yīng)力及圍巖變形規(guī)律，導(dǎo)致實際支護效果迥異。因此，研究厚煤層巷道在沿底掘進過程中的圍巖應(yīng)力及變形特征，對于掌握全煤巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、選擇合理的支護技術(shù)、改善支護效果具有重要的指導(dǎo)意義。

本文以山西潞安礦業(yè)集團左權(quán)佳瑞煤業(yè)有限公司15101工作面軌道巷為工程背景，采用有限差分數(shù)值計算軟件FLAC3D對軌道巷在掘進階段圍巖受力、變形與破壞特征進行了模擬分析，在此基礎(chǔ)上提出了此類厚煤層巷道沿底掘進圍巖控制對策，設(shè)計了科學(xué)的錨桿錨索支護參數(shù)并應(yīng)用于井下，支護效果良好。

1 工程概況

15101工作面軌道巷埋深約270m，設(shè)計長度504m，巷道寬4.0m，高3.1m，位于本工作面北側(cè)，與相鄰的15101回風巷之間的凈煤柱尺寸為25m。巷道沿15號煤層底板布置，留頂煤，掘進期間不受動壓影響，其平面布置如圖1所示。

圖1 15101工作面軌道巷平面布置

根據(jù)鉆孔窺視和圍巖強度測試結(jié)果，15101軌道巷頂板以上0～3.82m為煤頂，平均抗壓強度12.15MPa;3.82～12.46m為直接頂，砂質(zhì)泥巖，平均抗壓強度51.82MPa;12.46～18.81m為基本頂，石灰?guī)r，平均抗壓強度76.39MPa。巷道底板以下0～4.04m為直接底，泥巖，平均抗壓強度23.47MPa;4.04～8.00m為基本底，砂質(zhì)泥巖，平均抗壓強度35.66MPa。巷道圍巖綜合柱狀見表1。

表1 15號煤層頂?shù)装寰C合柱狀

2 厚煤層巷道沿底掘進應(yīng)力及變形特征分析

以佳瑞煤業(yè)15101工作面軌道巷為模擬對象，采用FLAC3D對厚煤層巷道沿底掘進圍巖應(yīng)力及變形特征進行模擬分析。

根據(jù)15101軌道巷的地質(zhì)和生產(chǎn)條件，建立數(shù)值模型。模型尺寸為:長×寬×高=100m×10m×110m，包含113900個單元體和127512個節(jié)點。數(shù)值計算選用Mohr－Coulomb本構(gòu)模型，模型邊界條件為:四周鉸支，底部固支，上部為自由邊界。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)按表2取值。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.1 應(yīng)力分布與變化特征

對巷道開挖過程中掘進工作面的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力分布特征分別進行模擬，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，當巷道沿煤層底板掘進時，煤層下部巖層承擔了大部分由于巷道開挖造成的集中垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力，塑性破壞比較嚴重。垂直應(yīng)力在巷道頂?shù)装宄刹粚ΨQ分布，兩側(cè)集中區(qū)域偏巷道下部，巷道頂板的垂直應(yīng)力降低區(qū)域大于巷道底板;水平應(yīng)力在巷道頂?shù)装寤緦ΨQ分布，巷道底板的應(yīng)力集中程度及范圍大于巷道頂板，水平應(yīng)力降低區(qū)域在巷道兩側(cè)對稱分布，但在巷道上部應(yīng)力降低區(qū)域明顯擴大 (煤層范圍內(nèi))。

圖2 厚煤層沿底掘進巷道圍巖應(yīng)力分布

2.2 圍巖變形與破壞特征

對巷道開挖過程中掘進工作面的位移及塑性破壞區(qū)分布分別進行了模擬，計算結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，當巷道沿煤層底板布置時，巷道垂直方向位移在巷道頂?shù)装宄刹粚ΨQ分布，巷道頂板的位移量也明顯大于巷道底板;巷道圍巖水平方向位移在巷道兩側(cè)基本對稱分布，但巷道左右斜上部的位移明顯大于下部的位移;從總體位移看，兩幫及頂板變形的分布范圍及變形量相對較大。

圖3 巷道圍巖位移分布

綜合圖2和圖3，厚煤層巷道沿底掘進時，煤層頂板作為相對軟弱層，其承載性能較巖層差，下部巖層承受較大的集中應(yīng)力，導(dǎo)致兩幫煤體及頂煤變形量和破碎帶相對較大。

3 厚煤層巷道沿底掘進支護方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，厚煤層巷道掘進支護的關(guān)鍵是控制承載性能相對軟弱的煤頂及煤幫。選擇佳瑞煤業(yè)15101工作面軌道巷為試驗對象，對其進行高強預(yù)應(yīng)力錨桿錨索組合支護計算和設(shè)計［2］。

(1)煤頂采用錨索網(wǎng)配鋼筋梯梁支護 錨桿選用335號、φ20mm左旋無縱筋螺紋鋼，長度2.4m，間排距1.1m×1.1m，采用2支樹脂錨固劑(MSK2335+MSZ2360)加長錨固，設(shè)計錨固力不低于105kN，錨桿擰緊力矩應(yīng)達到300N·m，但禁止超過450N·m。錨索選用φ18.9mm，1×7股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，破斷強度不低于1860MPa，延伸率4%，長度6.3m，間排距1.6m×2.2m，采用3支樹脂錨固劑 (1×MSK2335+2×MSZ2360)錨固，錨索張拉預(yù)緊力不低于250kN。護頂構(gòu)件采用菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片尺寸4.4m×1.2m，網(wǎng)間搭接100mm。鋼筋梯梁選用直徑14mm，長度3500mm的鋼筋焊接而成，焊接寬度80mm。

(2)左右兩煤幫均采用錨網(wǎng)梁組合支護 錨桿規(guī)格和間排距同頂板，錨桿長2.0m，采用1支樹脂錨固劑 (MSZ2360)加長錨固。護幫構(gòu)件同樣采用菱形金屬網(wǎng)和鋼筋梯梁，網(wǎng)片尺寸2.8m×1.2m，梯梁長度2.6m。

巷道支護布置如圖4所示。

圖4 15101軌道巷支護布置示意

4 支護效果

在15101軌道巷采用上述支護方案施工100m后，在巷道內(nèi)設(shè)置了2個測站，在整個掘進期間分別對頂板離層和巷道表面位移進行連續(xù)監(jiān)測，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 試驗巷道掘進期間頂板離層變化曲線

圖6 試驗巷道掘進期間表面位移變化曲線

頂板離層監(jiān)測結(jié)果顯示:巷道開挖，頂板淺部和深部持續(xù)發(fā)生離層;開挖30m后，離層不再持續(xù)。15101軌道巷淺部離層最終穩(wěn)定在4.6mm，深部離層最終穩(wěn)定在2.9mm，總離層值為7.5mm。頂板離層低于安全值，表明高強預(yù)應(yīng)力錨桿錨索組合支護體系對頂板離層具有明顯的約束作用。

由表面位移監(jiān)測結(jié)果可以看出:巷道一開口，兩幫和頂?shù)装寰彤a(chǎn)生變形;變形要持續(xù)相當長時間，最終在距迎頭約65m以后趨于穩(wěn)定。15101軌道巷兩幫移近量最終為24.9mm，為巷道初始寬度的0.62%;頂?shù)装逡平孔罱K為16.8mm，為初始高度的0.54%。巷道表面位移較小，表明高強應(yīng)力錨桿錨索支護很好地控制住了圍巖變形，巷道兩幫和頂?shù)装灞３址€(wěn)定，支護效果理想。

5 結(jié)論

(1)采用FLAC3D對佳瑞煤業(yè)15101工作面軌道巷進行模擬，分析得出:厚煤層巷道沿底掘進時，煤層頂板作為相對軟弱層，其承載性能較巖層差，下部巖層承受較大的集中應(yīng)力，導(dǎo)致兩幫煤體及頂煤變形量和破碎帶相對較大。

(2)根據(jù)圍巖受力、變形特征，提出厚煤層巷道掘進支護的關(guān)鍵是控制承載性能相對軟弱的煤頂及煤幫，對厚煤層沿底掘進全煤巷道設(shè)計了高強預(yù)應(yīng)力錨桿錨索組合支護方案。

(3)巷道表面位移及頂板離層觀測結(jié)果表明，高強預(yù)應(yīng)力錨桿錨索組合支護技術(shù)在佳瑞煤業(yè)15101工作面軌道巷取得了良好的支護效果，該支護形式可以在類似厚煤層巷道中推廣應(yīng)用。

［1］王家臣.我國厚煤層開采技術(shù)新進展［A］.第七次煤炭科學(xué)技術(shù)大會文集［C］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2011.

［2］康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù) ［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［3］張占濤.大斷面煤層巷道圍巖變形特征與支護參數(shù)研究［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2009.

［4］曹虎斌.特厚煤層沿底全煤巷道錨桿支護技術(shù)可行性研究［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報，2013，10(1):56－59.

［5］路聚堂，劉建軍，王 斌，等.厚煤層軟煤巷道圍巖活動規(guī)律及支護數(shù)值分析 ［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2010，30(3):275－279.

［6］趙華山，呂廣輝.厚煤層沿底掘進全煤巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護設(shè)計探討與應(yīng)用 ［J］.中國西部科技，2009，8(5).

［7］彭文斌.FLAC 3D實用教程 ［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［8］康紅普，王金華，高富強.掘進工作面圍巖應(yīng)力分布特征及其與支護的關(guān)系［J］.煤炭學(xué)報，2009，34(12):1585－1593.

［9］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.