余吾煤業(yè)深部破碎圍巖巷道布置與支護(hù)技術(shù)研究

張 蒙，葛帥帥，吳曉剛，曹 栩，薛凱宏

(運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000)

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余吾煤業(yè)深部破碎圍巖巷道布置與支護(hù)技術(shù)研究

張 蒙，葛帥帥，吳曉剛，曹 栩，薛凱宏

(運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000)

潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)S2206工作面瓦排巷受地質(zhì)構(gòu)造及采動(dòng)影響斷面收斂較大，已不能滿足工作面生產(chǎn)需要。利用理論計(jì)算和FLAC3D數(shù)值模擬的方法，分析巷道掘進(jìn)時(shí)期和工作面回采時(shí)期巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律和圍巖變形規(guī)律，確定瓦排巷沿空巷道段掘進(jìn)位置和巷道支護(hù)方案并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，得出新瓦斯排放巷沿空掘巷圍巖總體變形量較小，能夠滿足工作面生產(chǎn)需要，表明沿空巷道圍巖控制效果良好，煤巖寬度與支護(hù)參數(shù)是合理的。

深部破碎圍巖；瓦斯排放巷；圍巖變形量；數(shù)值模擬；支護(hù)

1 試驗(yàn)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件

潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)現(xiàn)階段主采煤層為3#煤層，煤層埋深525 m，煤質(zhì)較松軟，直接頂和直接底均為砂質(zhì)泥巖。余吾煤業(yè)生產(chǎn)礦井屬高瓦斯礦井，S2205工作面進(jìn)風(fēng)巷繼續(xù)作為S2206的瓦斯排放巷使用，但巷道上方存在斷層構(gòu)造，在上工作面回采工程中，巷道3#橫貫與4#橫貫之間圍巖嚴(yán)重變形，不能滿足下工作面瓦排巷斷面使用要求。為了恢復(fù)瓦排巷通風(fēng)功能，保證礦井正常生產(chǎn)，設(shè)計(jì)先充填S2206瓦排巷變形嚴(yán)重段，再在上工作面采空區(qū)側(cè)進(jìn)行掘巷，掘進(jìn)平巷與原瓦排巷道連接，另一側(cè)與4#橫貫連通。S2206工作面瓦排巷沿空巷道布置圖見圖1.

圖1 S2206工作面瓦排巷沿空巷道布置圖

2 煤柱內(nèi)沿空掘巷覆巖結(jié)構(gòu)分析

2.1 上覆巖體穩(wěn)定性分析

從上工作面綜放回采至沿空巷道頂板穩(wěn)定，上覆煤巖體結(jié)構(gòu)經(jīng)歷過程如下：

1) 上區(qū)段工作面回采后，靠近巷道側(cè)未放出的頂煤及巷道上方的頂煤受采動(dòng)影響，破碎程度嚴(yán)重，再加上自重及支承壓力作用，首先垮落。

2) 隨著上區(qū)段工作面端頭巷道處頂煤的垮落，直接頂巖層發(fā)生不同程度的垮落下沉，并因與其上部基本頂巖層變形速度不同而產(chǎn)生離層。由于上區(qū)段工作面中部和兩端的煤層采出程度相差很大，因此直接頂垮落下沉的形式也不相同。工作面中部煤層采出程度較大，其上部直接頂垮落充分；工作面兩端受垮落頂煤的影響，其上部直接頂破碎但整體發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉。

3) 由于直接頂垮落程度不同，其上部基本頂垮落形式也不相同，位于采空區(qū)中間位置的充分垮落下沉，在端頭位置的基本頂則在煤體側(cè)上方發(fā)生斷裂并以斷裂位置為支點(diǎn)回轉(zhuǎn)下沉，基本頂多個(gè)塊體相互鉸接形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

4) 基本頂垮落后，其上部的荷載巖層也隨之產(chǎn)生下沉和離層，直至上部關(guān)鍵層位置。

在本工作面向前推進(jìn)過程中，上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律與上工作面回采時(shí)基本相同，基本頂下部煤巖體垮落程度不同，基本頂整體下沉或者回轉(zhuǎn)彎曲下沉，回轉(zhuǎn)位置的支點(diǎn)是斷裂位置。當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，基本頂豎向位移呈“Λ”形分布；煤柱寬度較大時(shí)，呈“M”形分布，這說明兩側(cè)采空的區(qū)段煤柱上方存在一個(gè)“尖頂形”或者“平頂形”結(jié)構(gòu)，其巖層結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布特點(diǎn)見圖2. 當(dāng)基本頂為平頂型結(jié)構(gòu)時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力呈“馬鞍形”分布，基本頂為尖頂型結(jié)構(gòu)時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力呈“單峰形”分布。

圖2 基本頂斷裂結(jié)構(gòu)形態(tài)示意圖

結(jié)合S2206工作面實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，其區(qū)段煤柱寬度為60 m，基本頂沿側(cè)向斷裂跨度計(jì)算可知為13 m，因此工作面回采后煤柱上方基本頂會(huì)形成平頂形結(jié)構(gòu)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力呈“馬鞍形”分布。

2.2 基本頂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

隨著上工作面采空區(qū)頂板的垮落，基本頂各破斷塊體相互鉸接并發(fā)生整體下沉或回轉(zhuǎn)下沉，形成穩(wěn)定的基本頂結(jié)構(gòu)稱為三角塊結(jié)構(gòu)。受采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響，采空區(qū)側(cè)煤體中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而應(yīng)力的峰值一般在基本頂斷裂位置，在這之前有一段應(yīng)力降低的區(qū)域，合理的沿空巷道布置應(yīng)該在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)進(jìn)行沿空掘巷，因此可以認(rèn)為基本頂三角塊結(jié)構(gòu)是窄煤柱沿空掘巷的上部邊界。在基本頂三角塊形成后，該結(jié)構(gòu)還會(huì)受到沿空巷道掘進(jìn)影響和本工作面回采的采動(dòng)影響，在這些過程中三角塊結(jié)構(gòu)的力學(xué)環(huán)境會(huì)發(fā)生很大變化，它的穩(wěn)定狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變，并發(fā)生二次破斷和下沉。三角塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)的變化會(huì)改變沿空巷道圍巖的受力狀況，從而影響沿空巷道圍巖的變形情況。

S2206工作面瓦排巷在S2205工作面回采穩(wěn)定、上覆巖層結(jié)構(gòu)形成后掘巷，巷道不經(jīng)受巖層初次破斷時(shí)的劇烈運(yùn)動(dòng)，但S2206工作面回采產(chǎn)生的超前支承壓力的側(cè)向支承壓力對(duì)沿空巷道基本頂結(jié)構(gòu)受力狀況影響劇烈。而且在S2206工作面瓦排巷掘進(jìn)的煤柱內(nèi)煤體先后受工作面順槽掘進(jìn)和工作面回采影響，煤體內(nèi)塑性破壞區(qū)域增大，裂隙較為發(fā)育，基本頂結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)瓦排巷圍巖變形影響很大。

3 窄煤柱合理寬度的力學(xué)計(jì)算

根據(jù)沿空掘巷窄煤柱留設(shè)原則，為提高煤炭資源的回采率，沿空掘巷護(hù)巷煤柱寬度應(yīng)盡可能小一些；同時(shí)要保證巷道支護(hù)錨桿錨固在煤柱穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，否則會(huì)造成錨桿錨固力減小，巷道圍巖變形嚴(yán)重。根據(jù)相關(guān)理論及試驗(yàn)研究，合理煤柱寬度的組成應(yīng)包括3部分，見圖3.

圖3 合理煤柱寬度計(jì)算圖

計(jì)算公式為：

B=x1+x2+x3

式中：

x1—上區(qū)段工作面采動(dòng)產(chǎn)生的非彈性區(qū)寬度，m；

x2—巷道窄煤柱幫錨桿有效長(zhǎng)度，m；

x3—考慮煤層厚度而增加的煤柱寬度，m.

根據(jù)極限平衡理論確定極限平衡區(qū)寬度，上區(qū)段工作面采動(dòng)產(chǎn)生的非彈性區(qū)寬度x1計(jì)算公式為：

式中：

m—煤層采高，m，取3.2 m；

A—側(cè)壓系數(shù)，取0.39；

α—煤層傾角，(°)，取0；

φ0—煤層內(nèi)摩擦角，(°)，取20；

C0—煤層界面的黏聚力，MPa，取4；

k—應(yīng)力集中系數(shù)，取2.4；

γ—巖層平均容重，t/m3，取2.5；

H—巷道埋深，m，取400；

px—上區(qū)段支架對(duì)巷道煤幫的支護(hù)阻力，kN/m，取0.

根據(jù)余吾煤業(yè)S2206試驗(yàn)巷道地質(zhì)條件，代入各參數(shù)，得：上區(qū)段非彈性區(qū)寬度x1=4.8 m.

x2為窄煤柱側(cè)巷道幫部支護(hù)錨桿的長(zhǎng)度，S2205工作面巷道幫部錨桿長(zhǎng)度為2.4 m，因此暫取x2為2.4 m；x3為考慮增加煤柱穩(wěn)定性附加的富余系數(shù)，其大小為0.1(x1+x2).因此，根據(jù)煤柱寬度計(jì)算公式得B=7.92 m.

4 瓦排巷沿空巷道段錨桿支護(hù)參數(shù)確定

針對(duì)余吾煤業(yè)公司S2206工作面煤柱內(nèi)沿空掘瓦排巷的特殊地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)合理的錨桿支護(hù)方案?，F(xiàn)提出幾種可行性支護(hù)方案，見表1.

表1 錨桿支護(hù)參數(shù)比較方案表

確定S2206工作面瓦排巷留設(shè)8 m護(hù)巷煤柱的情況下，模擬各支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖變形的控制情況，分析確定合理的錨桿支護(hù)參數(shù)，模擬結(jié)果見圖4～9.

圖4 不同錨桿直徑對(duì)巷道圍巖變形影響的曲線示意圖

圖5 頂錨桿長(zhǎng)度對(duì)巷道圍巖變形影響的曲線示意圖

圖6 幫錨桿長(zhǎng)度對(duì)巷道圍巖變形影響的曲線示意圖

圖7 不同錨桿排距對(duì)巷道圍巖變形影響的曲線示意圖

圖8 不同錨桿布置方式對(duì)巷道圍巖變形影響的曲線示意圖

圖9 不同錨索布置對(duì)巷道圍巖變形影響的曲線示意圖

通過各支護(hù)方案圍巖控制效果的對(duì)比分析，確定錨桿直徑為22 mm，頂板錨桿長(zhǎng)度為2 400 mm，幫錨桿長(zhǎng)度為2 400 mm，幫錨桿間排距為700 mm×800 mm，頂板錨桿間排距為700 mm×800 mm，錨索間排距為1 000 mm×800 mm.

5 工程實(shí)踐

根據(jù)以上研究成果，在余吾煤業(yè)S2205工作面煤壁側(cè)8 m位置沿煤層頂板重新掘進(jìn)S2206工作面瓦排巷破碎段，并掘進(jìn)連通原瓦排巷的平巷。將支護(hù)參數(shù)應(yīng)用到沿空巷道段圍巖支護(hù)，其錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)見圖10，頂板先鋪金屬網(wǎng)，其規(guī)格為4 000 mm×880 mm，及10#鐵絲網(wǎng)規(guī)格為40 mm×40 mm，再加鋼筋網(wǎng)。錨桿支護(hù)采用高強(qiáng)讓壓錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿尺寸為d22 mm×2 400 mm，頂板每排打設(shè)6根錨桿。兩幫先鋪設(shè)金屬網(wǎng)3 300 mm×880 mm，及10#鐵絲網(wǎng)規(guī)格40 mm×40 mm. 幫部采用高強(qiáng)讓壓錨桿支護(hù)，錨桿尺寸為d22 mm×2 400 mm，幫部每排打設(shè)5根錨桿。錨桿錨固采用全長(zhǎng)錨固方式，所用的樹脂藥卷為K2350和M2350各一支。

圖10 沿空巷道段錨桿錨索布置圖

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)巷道掘進(jìn)期間頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最終達(dá)到423 mm，兩幫相對(duì)移近量達(dá)到346 mm；巷道回采期間頂?shù)装逑鄬?duì)移近量達(dá)到720 mm，兩幫相對(duì)移近量達(dá)到526 mm，回采期間工作面前方10 m巷道控制效果見圖11. 觀測(cè)結(jié)果表明，沿空巷道圍巖控制效果良好，煤柱寬度及支護(hù)參數(shù)方案是合理的。

圖11 回采期間工作面前方10 m巷道控制效果圖

6 結(jié) 論

1) 沿空巷道上方的覆巖結(jié)構(gòu)形成以后，還會(huì)受到巷道掘進(jìn)擾動(dòng)影響以及本工作面回采過程中的強(qiáng)采動(dòng)影響，該結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的破斷以及旋轉(zhuǎn)下沉，這是造成該類巷道圍巖變形較大的主要原因之一。

2) 通過窄煤柱合理寬度的理論計(jì)算確定掘進(jìn)瓦排巷位置，使巷道位于應(yīng)力較低的環(huán)境中，有利于巷道維護(hù)。

3) 新瓦排巷沿空掘巷圍巖總體變形量較小，能夠滿足工作面生產(chǎn)需求，表明沿空巷道圍巖控制效果良好，煤柱寬度及支護(hù)參數(shù)是合理的。

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Research on Roadway Arrangement and Support Technology of Deep Broken Surrounding Rock in Yuwu Coal Mine

ZHANG Meng, GE Shuaishuai, WU Xiaogang, CAO Xu, XUE Kaihong

Due to contraction caused by the influence of the geological structure and the mining activity, the roadway for ventilation in the No.S2206 working face of Yuwu Coal coal mine in Lu'an Group can not meet the production needs. Based on the theoretical calculation and FLAC3D numerical simulation, the stress distribution rule of the surrounding rock and the deformation rule of the surrounding rock are analyzed, and the excavation position and roadway support scheme along the roadway are analyzed, and the industrial test conducted. The results show that the control effect of the surrounding rock is good, and the coal and rock width and support parameters are reasonable.

Deep broken rock; Gas discharge roadway; Surrounding rock deformation; Numerical simulation; Support

2017-01-03

山西省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題《高校采礦工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)差異化培養(yǎng)體系建設(shè)及其輔助軟件研發(fā)》(GH-15116)；運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016年院級(jí)科學(xué)研究項(xiàng)目《煤礦井下受限空間無線信號(hào)傳輸特性研究》(KY2016-22)

張 蒙(1989—)，男，山東濟(jì)寧人，2014年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，碩士研究生，助教，主要從事巷道圍巖控制技術(shù)的研究

(E-mail)mzhang_cumt@163.com

TD353

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1672-0652(2017)03-0020-05