“三軟”煤層回采巷道的中空注漿錨索支護

畢業(yè)武， 范秀利

(黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院 哈爾濱 150022)

“三軟”煤層回采巷道的中空注漿錨索支護

畢業(yè)武， 范秀利

(黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院 哈爾濱 150022)

為解決“三軟”煤層回采巷道圍巖大變形災(zāi)變關(guān)鍵問題，以大雁礦區(qū)雁南煤礦典型 “三軟”煤層回采巷道為研究背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，分析中空注漿錨索支護與錨網(wǎng)索帶支護條件下回采巷道圍巖位移與應(yīng)力分布規(guī)律。中空注漿錨索相比錨網(wǎng)索帶支護，巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏繙p少53.5 mm，降低了26.6%，巷道兩幫最大位移量減少80 mm，降低了33.3%；最大水平應(yīng)力降低0.7 MPa，最大垂直應(yīng)力降低0.7 MPa。針對現(xiàn)場工程實際確定最佳支護方式，給出最優(yōu)支護技術(shù)參數(shù)。工業(yè)試驗表明：中空注漿錨索支護控制巷道變形量由原來1 129 mm減小到265 mm，經(jīng)濟技術(shù)效果顯著。該研究可以為類似條件下“三軟”巷道支護提供一種新的圍巖控制方式。

“三軟”煤層； 回采巷道； 中空注漿錨索； FLAC3D

0 引 言

我國煤礦每年巷道掘進中有10%以上屬于“三軟”煤層回采巷道[1-2]，隨著煤礦地質(zhì)、環(huán)境和開采條件復(fù)雜化，“三軟”煤層回采巷道圍巖控制日趨困難，具體表現(xiàn)為巷道變形速度快，收斂變形量大，圍巖控制困難，巷道返修率高，甚至有些巷道由于斷面過度收斂無法使用而報廢。大雁礦區(qū)雁南煤礦28-2煤層是典型的“三軟”煤層，其回采巷道圍巖災(zāi)變問題較為突出，即巷道斷面收斂過度，返修率高，不僅嚴(yán)重制約正常生產(chǎn)，同時對施工安全造成很大威脅。當(dāng)前，錨網(wǎng)索帶聯(lián)合支護已成為大雁礦區(qū)回采巷道主要支護方式。實踐表明，“三軟”煤層條件下，該支護方式不具有適應(yīng)性。因此，大雁礦區(qū)“三軟”煤層回采巷道復(fù)雜性、難控性，已成為困擾該礦安全、高效生產(chǎn)的重大問題，探求適應(yīng)該礦“三軟”煤層回采巷道圍巖控制方式，是該礦工程上亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

近年來，一些專家學(xué)者在“三軟”煤層回采巷道圍巖控制方面取得了一定的研究成果。楊鵬[3]、葉平[4]等采用理論分析、工業(yè)性試驗及礦壓監(jiān)測相結(jié)合的方法，研究了“三軟”煤巷圍巖控制技術(shù)，提出了“錨桿錨索+金屬網(wǎng)+W型鋼帶+噴漿+可縮支架”聯(lián)合支護方式、預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合支護技術(shù)、錨網(wǎng)噴索+錨注聯(lián)合支護技術(shù)。張建華[5]、杜強[6]、鄧鵬海[7]等在分析“三軟”煤層巷道圍巖特征的基礎(chǔ)上，指出“三軟”煤層回采巷道支護關(guān)鍵是允許巷道圍巖變形，合理確定最佳二次支護時機，通過巷道圍巖加固提高巷道圍巖承載能力為圍巖控制重點。筆者[8]針對大雁礦區(qū)典型“三軟”煤層回采巷道實際地質(zhì)及開采技術(shù)條件，開展了“三軟”煤層回采巷道圍巖災(zāi)變機理研究?；谝延醒芯砍晒Y(jié)合現(xiàn)場實際，提出中空注漿錨索支護技術(shù)，以大雁礦區(qū)雁南煤礦28-2煤層某工作面回采巷道為研究對象，采用數(shù)值模擬與工業(yè)試驗相結(jié)合的方法，揭示錨網(wǎng)索帶與中空注漿錨索兩種支護方式下的圍巖位移、應(yīng)力分布規(guī)律，確定大雁礦區(qū)“三軟”煤層回采巷道最佳支護方式，給出最優(yōu)支護技術(shù)參數(shù)，以期為解決大雁礦區(qū)“三軟”煤層回采巷道圍巖控制問題提供一條切實可行的技術(shù)途徑。

1 “三軟”煤層回采巷道支護模擬

為進一步研究中空注漿錨索支護技術(shù)適應(yīng)性，文中采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對比分析大雁礦區(qū)原錨網(wǎng)索帶支護同新型中空注漿錨索支護條件下回采巷道圍巖活動規(guī)律。

1.1 數(shù)值模擬模型的建立

以大雁礦區(qū)“三軟”煤層28-2煤層回采工作面及回采巷道作為研究對象，建立數(shù)值模擬模型[9]，回采巷道支護形式與參數(shù)如工業(yè)試驗部分所述；數(shù)值模擬整體模型為y向1/2對稱模型，整體模型尺寸：x(-50，150)，y(-50，100)，z(-50，400)；回采巷道尺寸：x(0，4)，y(0，100)，z(0，3)；x(196，200)，y(0，100)，z(0，3)；煤層開挖尺寸：x(0，200)，y(0，100)，z(0，6)。煤巖體采用理想彈塑性模型，拉剪復(fù)合破壞準(zhǔn)則，煤巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。邊界條件：模型四個側(cè)面和底面法向位移約束，豎直z向為巖體自重，水平兩向側(cè)壓力系數(shù)均為1.4；上下回采巷道同時掘進，每推進5 m支護一次，開挖支護至y=50 m，一次性推進至y向模型邊界，即y=100 m；然后煤層回采，回采步距5 m，回采至y=50 m，一次性回采至y向模型邊界即y=100 m；回采巷道模型如圖1所示。

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

(1)巷道圍巖位移

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬了中空注漿錨索補強支護與原錨網(wǎng)索帶兩種支護條件下圍巖位移分布特征，在采煤工作面回采期間，截取兩種支護條件下距離回采工作面一定距離回采巷道剖面。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)

圖1 回采巷道數(shù)值模擬模型

對比分析圍巖控制效果，圍巖位移分布特征模擬結(jié)果如圖2所示。

a 錨網(wǎng)索帶支護

b 中空注漿錨索支護

由圖2可知，兩種支護條件下巷道圍巖位移呈非均勻性、非對稱性分布，左幫位移量明顯大于右?guī)臀灰屏?，頂板位移量明顯大于底板位移量；錨網(wǎng)索帶支護巷道圍巖最大位移量分布于巷道頂板及左上幫，巷道左下幫及右?guī)臀灰拼沃?，底板位移量最小，巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏窟_到201 mm，兩幫最大位移量達到240 mm；中空注漿錨索支護巷道圍巖最大位移量分布于巷道頂板及左上幫，巷道左下幫及右?guī)臀灰拼沃?，底板位移量最小，巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏窟_到147.5 mm，兩幫最大位移量達到160 mm；由兩種支護方式巷道圍巖最大位移量對比可知，中空注漿錨索支護巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏拷档土?3.5 mm，降低率為26.6%，巷道兩幫最大位移量降低了80 mm，降低率為33.3%。

(2)巷道圍巖應(yīng)力

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬中空注漿錨索與原支護錨網(wǎng)索帶兩種支護條件下圍巖應(yīng)力分布特征，在回采工作面回采期間，截取兩種支護條件下距離回采工作面一定距離回采巷道剖面，對比分析圍巖控制效果，圍巖應(yīng)力分布特征如圖3、4所示。

由圖3可知，兩種支護條件下巷道頂?shù)装鍑鷰r水平應(yīng)力分布不均勻，巷道兩幫圍巖水平應(yīng)力分布比較均勻；兩種支護條件下巷道圍巖最大水平應(yīng)力分布于頂?shù)装迳畈课恢?，中空注漿錨索支護條件下巷道圍巖最大水平應(yīng)力達到27.3 MPa，錨網(wǎng)索帶支護條件下巷道圍巖最大水平應(yīng)力達到28.0 MPa，可見，中空注漿錨索支護條件下巷道圍巖應(yīng)力集中程度小于錨網(wǎng)索帶支護；兩種支護條件下巷道兩幫圍巖水平應(yīng)力明顯小于頂?shù)装鍑鷰r水平應(yīng)力；中空注漿錨索支護條件下巷道圍巖水平應(yīng)力明顯小于錨網(wǎng)索帶支護條件下巷道圍巖水平應(yīng)力，并且中空注漿錨索支護條件下巷道圍巖水平應(yīng)力分布更趨于均勻性。

a 錨網(wǎng)索帶支護

b 中空注漿錨索支護

由圖4可以看出，兩種支護條件下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布比較均勻，中空注漿錨索支護條件下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布更趨于均勻性；兩種支護條件下應(yīng)力集中區(qū)分布于巷道兩幫深部位置，中空注漿錨索支護條件下巷道圍巖最大垂直應(yīng)力達到24.7 MPa，錨網(wǎng)索帶支護條件下巷道圍巖最大垂直應(yīng)力達到25.4 MPa，可見，中空注漿錨索支護條件下巷道圍巖應(yīng)力集中程度小于錨網(wǎng)索帶支護；兩種支護條件下巷道頂?shù)装鍑鷰r垂直應(yīng)力明顯小于兩幫圍巖垂直應(yīng)力；整體上看，中空注漿錨索支護條件下巷道圍巖垂直應(yīng)力小于錨網(wǎng)索帶支護。

a 錨網(wǎng)索帶支護

b 中空注漿錨索支護

綜合分析上述模擬結(jié)果可知，中空注漿錨索支護條件下巷道圍巖位移較小，圍巖受力狀況較好，可見，中空注漿錨索支護技術(shù)更具有適應(yīng)性。

2 工業(yè)試驗

2.1 工程概況

大雁礦區(qū)雁南煤礦28-2煤層某回采工作面為典型“三軟”煤層，回采巷道斷面形狀為矩形，上順槽凈寬3.8 m，凈高3.0 m，下順槽凈寬4.0 m，凈高3.0 m，下順槽距地表400 m，垂直應(yīng)力為10 MPa，最大水平應(yīng)力為14 MPa；煤層平均厚度為6.15 m，平均采高為3.0 m，直接頂厚度為1.83 m，基本頂厚度為4.60 m，底板巖層厚度為7.0 m，頂?shù)装鍘r性及特征如圖5所示。

圖5 “三軟”煤層綜合柱狀分析

2.2 支護方式及參數(shù)優(yōu)化

(1)原支護方式

錨桿錨索布置如圖6所示，雁南煤礦28-2主采煤層一直沿用錨網(wǎng)索帶聯(lián)合支護方式，其支護技術(shù)參數(shù)如下：巷道頂?shù)装寮皟蓭湾^桿長度均為2.2 m，直徑均為22 mm等強螺紋錨桿，間排距均為0.8 m×0.8 m，錨索采用直徑為17.8 mm、長度為6 m的高強度高延伸率預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為1.6 m×1.6 m，每根錨桿使用1卷樹脂錨固劑，每根錨索使用2卷樹脂錨固劑，錨桿預(yù)緊力不低于50 kN，錨索預(yù)緊力不低于100 kN。

a

b

(2)優(yōu)化后支護方式與參數(shù)

在原錨網(wǎng)帶支護方式基礎(chǔ)上，采用中空注漿錨索補強支護，根據(jù)現(xiàn)場實際工程地質(zhì)條件，通過理論計算及工程類比[10]，中空注漿錨索支護技術(shù)參數(shù)優(yōu)化如下：注漿錨索布置兩排錨桿中間位置，直徑為22 mm、長度為6 m，每根注漿錨索使用4卷MSK2835錨固劑錨固，注漿錨索預(yù)緊力大于110 kN，間排距為1.6 m×2.4 m，注漿錨索布置如圖7所示。

a

b

(3)支護效果分析

試驗礦井每年約掘進5 000 m巷道，其中約3 000 m巷道變形量超過20%，需要翻修，翻修量占掘進工程量的60%，嚴(yán)重影響該礦安全高效生產(chǎn)。采用中空注漿錨索支護技術(shù)后，現(xiàn)場礦壓監(jiān)測表明，回采巷道變形量由原來的平均圍巖收斂量1 129 mm減小為平均265 mm，如圖8所示。并減少巷道翻修工程量，按每米翻修費用1 500元計算，每年預(yù)計可節(jié)約翻修費用約450萬元。

圖8 注漿錨索支護前后巷道位移對比

綜上所述，中空注漿錨索能夠提高支護結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力，達到較好的巷道圍巖控制效果；該技術(shù)充分發(fā)揮錨索支護的主動性及整體效能，一次完成巷道支護，避免巷道二次支護和翻修，減少了巷道翻修工程量，降低工人勞動強度，提高了施工速度，節(jié)約支護成本，提高經(jīng)濟技術(shù)效益，保證了巷道的穩(wěn)定性和礦井的安全生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

(1)針對大雁礦區(qū)雁南煤礦軟巖地質(zhì)條件，提出“三軟”煤層回采巷道全斷面中空注漿錨索支護技術(shù)。該技術(shù)可以保證巷道穩(wěn)定性和礦井安全生產(chǎn)。

(2)錨網(wǎng)索帶支護巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏窟_到201 mm，兩幫最大位移量達到240 mm；中空注漿錨索支護巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏窟_到147.5 mm，兩幫最大位移量達到160 mm；對比分析可知，中空注漿錨索支護巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏拷档?3.5 mm，降低了26.6%，巷道兩幫最大位移量降低80 mm，降低了33.3%。

(3)中空注漿錨索支護巷道最大水平應(yīng)力為27.3 MPa，錨網(wǎng)索帶支護巷道最大水平應(yīng)力為28.0 MPa；中空注漿錨索支護巷道最大垂直應(yīng)力達到24.7 MPa，錨網(wǎng)索帶支護巷道最大垂直應(yīng)力為25.4 MPa，即中空注漿錨索支護條件下巷道圍巖應(yīng)力明顯小于錨網(wǎng)索帶支護。

(4)中空注漿錨索支護技術(shù)是適應(yīng)“三軟”煤層軟巖地質(zhì)條件的一項新型技術(shù)，現(xiàn)場工業(yè)試驗得出，采用中空注漿錨索支護巷道圍巖收斂量平均為265 mm，原錨網(wǎng)索帶聯(lián)合支護圍巖收斂量平均為1 129 mm，減小巷道變形量在70%左右，經(jīng)濟技術(shù)效果顯著。

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(編校 李德根)

Support research of hollow grouting anchor cable in three soft coal seam mining roadway

BiYewu,FanXiuli

(School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper aims to address a large deformation disaster of the surrounding rocks occurring in "three soft" coal seam mining roadway. The study building on the typical case of "three soft" coal seam mining roadway in Yan'nan mine belonging to Da'yan mining area involves adopting numerical simulation method by FLAC3Dto analyze the law behind the displacement and stress distribution of mining roadway surrounding rock under the condition of hollow grouting anchor cable support and anchor net cable belt support. The comparative analysis suggests that compared with anchor net cable belt support, the hollow grouting anchor cable support provides a 53.5 mm decrease (26.6%)in maximum displacement of roof and floor of mining roadway; an 80.0 mm decrease ( 33.3%) in the maximum displacement of two sides of mining roadway; a 0.7 MPa decrease in the maximum horizontal stress; and a 0.7 MPa decreases in maximum vertical stress. It follows that the hollow grouting anchor cable support can offer both the best support method and the optimum support parameters designed for the practical engineering. The industrial field test proves that hollow grouting anchor cable support affords a remarkable economic and technology effect by decreasing the roadway surrounding rock deformation from original 1 129 mm to about 265 mm. The study may provide a new control method for surrounding rocks of "three soft" roadway support under similar conditions.

“three soft” coal seam; mining roadway; hollow grouting anchor cable; FLAC3D

2016-10-16

畢業(yè)武(1978-)，男，黑龍江省安達人，講師，碩士，研究方向：礦井圍巖控制與災(zāi)害防治、礦山應(yīng)急救援、爆破安全等，E-mail：biyewu@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.002

TD322

2095-7262(2016)06-0596-05

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