大斷面回采巷道圍巖破壞特征及控制對策

張 明

(山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046605)

我國厚煤層儲(chǔ)量占煤炭總量的45%以上，開采5 m以上的特厚煤層的生產(chǎn)礦井?dāng)?shù)占其總數(shù)的40.6%，礦井向大型化、機(jī)械化發(fā)展，掘進(jìn)大斷面巷道成為必然趨勢?；夭上锏乐饕贾迷诿簩又?，由于煤層厚度的增大，其所處的地質(zhì)條件也變得極為復(fù)雜，大斷面回采巷道的支護(hù)問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了煤礦安全生產(chǎn)。合理有效的巷道支護(hù)技術(shù)是保證礦井安全生產(chǎn)、提高掘進(jìn)速度、降低支護(hù)費(fèi)用的關(guān)鍵。

1 工程概況

山西某礦工作面平均埋藏深度為430 m，主采厚度為6.69 m 的 3#煤層，煤層傾角 2°～6°，為近水平煤層，煤層賦存較穩(wěn)定。煤層中一般含成分為泥巖或炭質(zhì)泥巖的夾矸0～3層，夾矸厚度一般為0.20 m，節(jié)理裂隙發(fā)育。老頂為厚度10.75 m的泥巖，直接頂為厚度2.20 m的泥巖或砂質(zhì)泥巖，直接底為厚4.25 m的泥巖，老底為厚2 m的細(xì)粒砂巖。該工作面運(yùn)輸平巷高4.5 m，寬5.5 m，為大斷面沿底掘進(jìn)巷道，支護(hù)問題較為突出。

2 巷道圍巖破壞特征數(shù)值分析

2.1 模擬方案

本文利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，采用控制變量法模擬不同高度和寬度下巷道開挖后圍巖塑性區(qū)和表面位移變化情況，分析斷面大小對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。所有方案中巷道均為沿底板掘進(jìn)，當(dāng)巷道高度改變時(shí)，頂煤厚度也相應(yīng)發(fā)生改變。建立的模型要與現(xiàn)場實(shí)際情況相符，為了研究巷道高度變化對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，巷道寬度定為5.5 m，改變巷道的高度分別為:3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.5 m、6 m;為了研究巷道寬度變化對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，巷道高度定為 4.5 m，改變巷道寬度分別為:4 m、4.5 m、5 m、6 m、6.5 m、7 m.通過對12 種方案的數(shù)值模擬，分析巷道高度變化和巷道寬度變化對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。

2.2 模型的建立

以工作面運(yùn)輸平巷地質(zhì)條件為背景，建立模型，模型的長×寬×高=60 m×10 m×60 m，為提高云計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度和精度，選擇巷道周邊區(qū)域網(wǎng)格較密，遠(yuǎn)離巷道區(qū)域網(wǎng)格較為稀疏，共劃分43 800個(gè)網(wǎng)格，49 654個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用摩爾－庫倫模型，模型采用的煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1.

2.3 巷道高度變化對圍巖穩(wěn)定性的影響

從巷道圍巖塑性區(qū)模擬結(jié)果可知，隨著巷道高度的增加，頂板和兩幫圍巖塑性區(qū)逐漸增大，巷道底板塑性區(qū)變化不大，而巷道兩幫的塑性區(qū)范圍增大較為明顯，巷道頂板及頂角處的塑性區(qū)逐漸向兩幫轉(zhuǎn)移，兩幫塑性區(qū)的破壞方式由拉伸破壞逐漸向剪切破壞轉(zhuǎn)變，巷道圍巖整體的塑性區(qū)范圍逐漸增大。巷道高度＜4.5 m時(shí)，頂板塑性區(qū)范圍減小較為明顯，兩頂角由拉伸破壞逐漸變?yōu)榧羟衅茐?，兩幫塑性區(qū)緩慢向外擴(kuò)展;高度＞4.5 m后，巷道頂板塑性區(qū)范圍隨高度的增加變化不大，這主要是由于煤層松軟破碎，巷道高度增加時(shí)，頂煤厚度逐漸減小，對頂板的影響程度逐漸降低。兩幫塑性區(qū)范圍增大較為明顯，最大可達(dá)6 m，為控制巷幫塑性區(qū)的范圍，必須采用錨索加強(qiáng)對兩幫的支護(hù)，且錨索長度≥6 m.

表1 計(jì)算采用的煤巖力學(xué)參數(shù)表

巷道寬度一定時(shí)，不同高度下頂板下沉量、底鼓量及左右兩幫的位移量見圖1(巷道兩幫位移量重合)。

圖1 不同巷道高度時(shí)圍巖表面位移曲線圖

由圖1可知，隨著巷道高度的增加頂板的下沉量減小，當(dāng)高度＞4.5 m時(shí)頂板下沉量的變化趨勢減小，底鼓量也趨于緩和，兩幫的移近量增大較為明顯;當(dāng)高度＜4.5 m時(shí)頂?shù)装逡平肯鲁亮孔兓厔葺^大。巷道高度為4.5 m時(shí)，與塑性區(qū)的變化情況基本一致，可以把高度為4.5 m作為巷道高度的一個(gè)分界點(diǎn)。

從以上分析結(jié)果可知，巷道頂煤厚度對圍巖的穩(wěn)定性有一定影響。當(dāng)巷道頂板煤層較厚時(shí)，頂板的塑性區(qū)范圍、頂板下沉量都較大，且隨著頂煤厚度的降低，塑性區(qū)和頂板下沉量都逐漸減小，所以，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量減小頂煤厚度。巷道高度增加時(shí)，兩幫的塑性區(qū)和位移量隨巷道高度的增加而逐漸增大，導(dǎo)致兩幫破壞較為嚴(yán)重，所以，巷道高度增加時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)幫部穩(wěn)定。

2.4 巷道寬度變化對圍巖穩(wěn)定性的影響

從模擬結(jié)果可知，巷道高度一定時(shí)，不同寬度下兩幫和底板的塑性區(qū)范圍變化不大，而頂板的塑性區(qū)會(huì)隨著寬度的增加而增大。巷道寬度＜5.5 m時(shí)，隨著巷道寬度的增加，圍巖塑性區(qū)范圍增速較為緩慢;當(dāng)巷道寬度＞5.5 m時(shí)圍巖塑性區(qū)范圍增長較快，特別是頂板兩角的應(yīng)力集中程度較大，破壞較為嚴(yán)重。巷道兩幫主要以剪切破壞為主，頂?shù)装寮绊敯鍍山侵饕岳炱茐臑橹鳌?/p>

巷道高度一定時(shí)，不同寬度下頂板下沉量、底鼓量及左右兩幫的位移量見圖2(巷道兩幫位移量重合)。

圖2 不同巷道寬度時(shí)圍巖表面位移曲線圖

由圖2可知，隨著巷道寬度的增加，頂板的下沉量逐漸增大，加之頂板拉伸破壞嚴(yán)重，因此，頂板支護(hù)難度增大。為能有效地控制頂板的變形量，應(yīng)采用錨索加強(qiáng)支護(hù)，以減少頂板的跨度。巷道寬度的增加對兩幫和底板的影響程度較小，但從兩幫位移數(shù)值上可知，兩幫移近量隨巷道寬度的增加而增大。結(jié)合巷道圍巖塑性區(qū)范圍大小，可把寬度為5.5 m作為巷道寬度的一個(gè)分界點(diǎn)。

由以上巷道高度和寬度變化對巷道圍巖穩(wěn)定性影響的分析結(jié)果可知:巷道高度增加，對巷道幫部的影響較為顯著，并且對于沿底掘進(jìn)的煤層巷道，應(yīng)保證合理的頂煤厚度;巷道寬度增加，對巷道頂板的影響較為明顯。因此，在選擇大斷面巷道支護(hù)時(shí)，對高幫巷道應(yīng)加強(qiáng)幫部支護(hù)，對大跨度巷道應(yīng)加強(qiáng)頂板控制。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，考慮到礦井工作面接替和掘進(jìn)設(shè)備的影響，工作面運(yùn)輸巷斷面尺寸為高4.5 m，寬5.5 m，比較合理。

3 支護(hù)參數(shù)的確定

采用理論分析和數(shù)值模擬對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究，確定工作面運(yùn)輸平巷采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)主要包括錨桿材質(zhì)、長度、直徑、間排距、預(yù)緊力、錨固方式等。

1)材質(zhì)。巷道的頂板和兩幫均選用屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度大的高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿，桿體表面具有凹凸紋理，能夠很好地保證錨桿與錨固劑之間有較大的黏結(jié)力，能控制圍巖變形。

2)預(yù)緊力。給錨桿施加預(yù)緊力能較好地控制圍巖變形，若是施加不當(dāng)，不能達(dá)到理想的支護(hù)效果。當(dāng)預(yù)緊力較小時(shí)，圍巖變形量會(huì)增加較大;而預(yù)緊力過大時(shí)，控制圍巖的效果不是很明顯，且容易造成桿體破斷。此處確定錨桿的預(yù)緊力為40 kN，錨桿螺母上的扭矩為400 Nm.

3)錨桿支護(hù)附件。主要有金屬網(wǎng)、托盤、14#鋼筋梯子等。頂板、兩幫配套使用金屬網(wǎng)，托板采用120 mm×120 mm×10 mm高強(qiáng)度托盤;頂托梁:d14雙鋼筋梯子梁，長度為5 300 mm;幫托梁:d14鋼筋梯子梁，長單筋梯子梁長度為3 200 mm，短單筋梯子梁長度為1 200 mm.

4)錨桿(索)支護(hù)參數(shù)。

a)頂板支護(hù)。

頂板每排7根錨桿，間排距850 mm×900 mm，錨桿直徑為22 mm，長度2 400 mm，鋪有金屬網(wǎng)5 700 mm ×1 000 mm，10#鐵絲網(wǎng)規(guī)格40 mm×40 mm;采用樹脂藥卷錨固，樹脂藥卷的規(guī)格:1支雙速2360、1支Z2360.

b)兩幫支護(hù)。

兩幫每排5根錨桿，間排距1 000 mm×900 mm，錨桿直徑20 mm，長度2 400 mm，樹脂藥卷錨固，兩幫鋪金屬網(wǎng)4 700 mm×1 000 mm，10#鐵絲網(wǎng)規(guī)格40 mm×40 mm.

c)錨索布置。

錨索間排距1 400 mm×1 800 mm，10#鐵絲網(wǎng)規(guī)格40 mm×40 mm，每2排錨桿打3根錨索，錨索直徑18.9 mm，長度7 300 mm，樹脂藥卷錨固長度1 800 mm，每根錨索有1塊規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm的高強(qiáng)托盤，配套鎖具、調(diào)心球墊。

巷道支護(hù)斷面圖見圖3.

圖3 工作面運(yùn)輸平巷支護(hù)斷面圖

4 支護(hù)效果評價(jià)

為了對高為4.5 m，寬為5.5 m的大斷面回采巷道支護(hù)效果進(jìn)行評價(jià)，在巷道表面布置位移監(jiān)測點(diǎn)，位移監(jiān)測點(diǎn)布置在巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷闹行摹Ｏ锏辣砻嫖灰票O(jiān)測結(jié)果見圖4.

圖4 巷道表面位移監(jiān)測曲線圖

從圖4可以看出，在巷道掘進(jìn)完成一段時(shí)間內(nèi)巷道表面位移上升速度較快，持續(xù)時(shí)間大概為10天，隨著觀測站與巷道掘進(jìn)工作面距離的增大，巷道圍巖變形速度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，巷道的掘進(jìn)影響時(shí)間為45 d左右。巷道穩(wěn)定后，頂?shù)装逡平繛?0 mm，兩幫移近量為84 mm，可知該支護(hù)參數(shù)選擇合理，巷道圍巖變形控制效果較好。

5 結(jié)語

1)巷道寬度一定時(shí)，隨著巷道高度的增加，兩幫塑性區(qū)增加較為明顯;頂板位移量隨著巷道高度的增加逐漸減小，兩幫位移量隨著巷道高度的增加而增大，而底板位移量變化不大。

2)巷道高度一定時(shí)，隨著巷道寬度的增加，頂板塑性區(qū)增加較為顯著;頂板和兩幫位移量隨著巷道寬度的增加逐漸增大，頂板變形增加較快，而底板位移量變化不大。

3)根據(jù)大斷面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，高幫巷道加強(qiáng)幫部支護(hù)，大跨度巷道加強(qiáng)頂板控制的原則，工作面運(yùn)輸平巷采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)能有效控制巷道圍巖的變形，保持巷道的穩(wěn)定。

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