高幫大斷面半煤巖巷道控制技術(shù)研究

管俊才

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400)

高幫大斷面半煤巖巷道控制技術(shù)研究

管俊才

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400)

針對(duì)新元煤礦高幫大斷面半煤巖巷道的支護(hù)難題，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)類似巷道調(diào)研分析變形破壞規(guī)律，同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)力學(xué)參數(shù)實(shí)測(cè)，結(jié)合數(shù)值模擬分析高幫大斷面半煤巖巷道一次掘進(jìn)成巷與分次掘進(jìn)成巷及工作面回采期間圍巖應(yīng)力分布特征，在此基礎(chǔ)上提出了巷道分次掘進(jìn)施工，并采用強(qiáng)力錨桿及錨索協(xié)同支護(hù)技術(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，表明該支護(hù)方式可以有效控制巷道變形。

高幫大斷面巷道；數(shù)值模擬；強(qiáng)力錨桿支護(hù)

StudyonControlTechnologyofSemiCoalandRockRoadwaywithHighSideandLargeSection

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大斷面巷道圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù)進(jìn)行了大量研究[3-10]。宋朝部[4]從力學(xué)角度研究認(rèn)為巷道斷面的增大對(duì)圍巖二次應(yīng)力分布規(guī)律影響較小，而對(duì)塑性區(qū)半徑、圍巖表面位移影響較大；肖同強(qiáng)[5]等認(rèn)為隨著硐室斷面增大，圍巖受掘進(jìn)擾動(dòng)影響大，初期支護(hù)阻力小使超大斷面硐室軟弱圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重變形破壞；柏建彪、周志利[6-7]等研究了巷道跨度增大對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，并提出以拉破壞深度為1.5m作為判斷巷道臨界跨度的指標(biāo)，大于這一臨界跨度，圍巖變形量隨巷道跨度增大而明顯增大；李國(guó)彪[8]通過理論分析確定干河煤礦大斷面巷道掘進(jìn)最大空頂距，并通過數(shù)值模擬、相似模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的研究方法，分析了大斷面巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變和位移變化，同時(shí)實(shí)測(cè)了圍巖松動(dòng)圈，并提出強(qiáng)幫支護(hù)方案，減小巷道幫部塑性區(qū)范圍，很好地控制了巷道整體變形；石蒙[9]等研究認(rèn)為高度大于跨度的大斷面硐室開掘后兩幫的破壞程度要大于頂?shù)装?，兩幫?yīng)力集中程度和位移也較大，因此，同樣認(rèn)為應(yīng)加強(qiáng)幫部支護(hù)。此外，管學(xué)茂等采用桁架錨桿控制大斷面煤巷圍巖變形[10]。

但是，之前的學(xué)者研究多集中在大斷面永久硐室或大跨度全煤巷道，對(duì)于高幫大斷面半煤巖巷道圍巖穩(wěn)定性和控制技術(shù)研究較少。因此，針對(duì)上述研究存在的不足，本文通過現(xiàn)場(chǎng)類似巷道破壞情況統(tǒng)計(jì)，結(jié)合數(shù)值模擬分析高幫大斷面半煤巖巷圍巖穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上提出支護(hù)技術(shù)措施。

1 工程概況

新元煤礦9105工作面平均埋深620m，煤層厚度平均3.50m，平均傾角2°，煤層硬度系數(shù)2.5～3。研究對(duì)象9105進(jìn)風(fēng)巷沿頂掘進(jìn)，巷道設(shè)計(jì)寬度為5.2m，高度為5.5m(其中起底2m)，設(shè)計(jì)斷面達(dá)28.6m2，為典型的高幫大斷面巷道。直接頂為2.3m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為8.8m。直接底為2.3m的砂質(zhì)泥巖，老底為3.1m中砂巖。巷道布置平面圖如圖1所示。

圖1 巷道布置平面

2 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 類似巷道變形破壞調(diào)研

對(duì)新元煤礦9號(hào)煤集中輔運(yùn)大巷現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該巷道掘出不到一年時(shí)間，尚未受到動(dòng)壓影響，但巷道變形嚴(yán)重，具體表現(xiàn)為：頂板沿巷道走向500m長(zhǎng)度內(nèi)出現(xiàn)大量網(wǎng)兜，錨索破斷，其破斷形態(tài)如圖2所示。兩幫移近量達(dá)到2500mm，礦方修巷時(shí)挑頂高度達(dá)到2000mm左右。

圖2 錨索破斷形態(tài)

由圖2結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)得知，集中輔運(yùn)大巷錨索破斷斷口齊整，破斷部位多為孔口位置，少數(shù)為孔內(nèi)150～1500mm位置，均為剪切破斷，即頂板水平錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致錨索破斷。因此，該巷道采用全錨索支護(hù)不能有效控制頂板破壞。

同時(shí)，為準(zhǔn)確了解巷道圍巖破壞情況，對(duì)集中輔運(yùn)大巷變形嚴(yán)重處進(jìn)行鉆孔窺視，鉆孔深度7m，窺視結(jié)果(如圖3所示)顯示集中輔運(yùn)大巷9103工作面附近巷道兩幫已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的破壞，破壞深度已經(jīng)達(dá)到7m，甚至有可能超過7m，裂隙發(fā)育，煤層破碎，并且裂隙的開度較大。

2.2 數(shù)值模擬研究

為研究9105進(jìn)風(fēng)巷圍巖應(yīng)力分布及破壞特征，采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

圖3 鉆孔窺視結(jié)果(孔深7m)

建立模型大小為180m×100m×32.6m(長(zhǎng)×寬×高)，劃分為62370個(gè)單元，9105工作面長(zhǎng)度取為120m，9105進(jìn)風(fēng)巷與9104進(jìn)風(fēng)巷間煤柱20m。采用莫爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則進(jìn)行分析。模型原巖應(yīng)力采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過小孔徑水壓致裂法對(duì)9號(hào)煤進(jìn)行系統(tǒng)的地應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果表明該區(qū)域以自重應(yīng)力場(chǎng)為主，垂直應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)，其中9105進(jìn)風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)顯示最大水平主應(yīng)力為17.40MPa，最小水平主應(yīng)力為8.93MPa，垂直應(yīng)力為15.61MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹55.6°E。

數(shù)值計(jì)算過程為：建立原巖應(yīng)力場(chǎng)→開挖9105進(jìn)風(fēng)巷及9104進(jìn)風(fēng)巷(雙巷同時(shí)掘進(jìn))→9105工作面后半部分回采→9105工作面全部回采。其中雙巷掘進(jìn)階段分別對(duì)比了一次成巷與分次掘進(jìn)成巷兩者對(duì)9105進(jìn)風(fēng)巷圍巖應(yīng)力影響。

2.2.1 雙巷分次掘進(jìn)成巷

圖4～圖7為雙巷分次掘進(jìn)成巷數(shù)值計(jì)算結(jié)果示意圖。雙巷先掘進(jìn)3.5m高度，之后起底2m成巷。

圖4 初次掘進(jìn)圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)分布

圖5 起底掘進(jìn)圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)分布

圖6 初次掘進(jìn)圍壓水平應(yīng)力場(chǎng)分布

圖7 起底掘進(jìn)圍壓水平應(yīng)力場(chǎng)分布

2.2.2 雙巷一次掘進(jìn)成巷

圖8～圖9為雙巷一次掘進(jìn)成巷數(shù)值計(jì)算結(jié)果示意圖。

圖8 一次掘進(jìn)成巷圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)分布

圖9 一次掘進(jìn)成巷圍巖水平應(yīng)力場(chǎng)分布

對(duì)比圖4～圖9可知，對(duì)于垂直應(yīng)力分布，分次掘進(jìn)成巷較一次掘進(jìn)成巷垂直應(yīng)力峰值從21.14MPa降到20.49MPa，應(yīng)力峰值區(qū)域均出現(xiàn)在巷道巖層段兩幫及煤柱靠近兩幫側(cè)一定區(qū)域。對(duì)于水平應(yīng)力分布，分次掘進(jìn)時(shí)，初次掘進(jìn)后最大水平應(yīng)力達(dá)到18.99MPa，出現(xiàn)在9105進(jìn)風(fēng)巷距頂?shù)装?.5～2m范圍內(nèi)；起底掘進(jìn)后圍巖水平應(yīng)力整體增大，且峰值達(dá)到24.95MPa，出現(xiàn)在巷道底板處，變化明顯。從水平應(yīng)力場(chǎng)分布也可印證前文所述錨索破斷特征，因而在支護(hù)中應(yīng)采用強(qiáng)力錨桿更好地控制頂板水平錯(cuò)動(dòng)。

綜上，采用分次掘進(jìn)施工巷道一方面便于施工，一方面有利于優(yōu)化圍巖應(yīng)力分布。

2.2.3 工作面回采50m

圖10為9105工作面回采50m時(shí)垂直應(yīng)力分布三維示意圖。

圖10 9105工作面回采50m時(shí)垂直應(yīng)力分布三維示意

由圖10可知，9105工作面回采50m后，在工作面前方形成應(yīng)力上升區(qū)，平均在40～45MPa，局部范圍可達(dá)50MPa以上。9105進(jìn)風(fēng)巷圍巖在工作面超前區(qū)域應(yīng)力集中在25MPa左右，工作面超前影響范圍可達(dá)28m，側(cè)向影響范圍可達(dá)30m。而滯后工作面一定區(qū)域煤柱內(nèi)形成滯后壓力上升區(qū)，距離工作面越遠(yuǎn)壓力上升越高，最高可達(dá)50MPa。

2.2.4 工作面全部回采

工作面回采結(jié)束后，煤柱靠近原9105進(jìn)風(fēng)巷附近10m范圍內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到52MPa，同掘進(jìn)完成后相比較，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.48。水平應(yīng)力峰值出現(xiàn)在煤柱中間區(qū)域，達(dá)到36MPa，詳見圖11。

圖11 9105工作面回采后垂直應(yīng)力分布三維示意

根據(jù)以上數(shù)值計(jì)算分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于該礦高幫大斷面半煤巖巷道，應(yīng)注重巷幫支護(hù)，尤其針對(duì)垂直應(yīng)力峰值出現(xiàn)的巖層部位，加強(qiáng)該部位的支護(hù)同時(shí)能夠控制巷道底鼓[11]。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

3.1 巷道支護(hù)方案

通過上述分析，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，分析對(duì)比多個(gè)支護(hù)方案，最終選擇一個(gè)最優(yōu)支護(hù)方案：強(qiáng)力樹脂加長(zhǎng)錨固錨桿錨索組合支護(hù)系統(tǒng)，支護(hù)方案示意如圖12所示。

圖12 巷道支護(hù)方案示意

具體支護(hù)參數(shù)如下：

一次掘進(jìn)期間，頂板支護(hù)：錨桿采用22號(hào)左旋無(wú)縱筋螺紋鋼(BHRB500)，長(zhǎng)度2.4m，桿尾螺紋M24mm，樹脂加長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固，錨固劑規(guī)格1×MSK2380，錨固長(zhǎng)度1020mm，400N·m≤設(shè)計(jì)扭矩≤550N·m，間排距為900mm×900mm，配合150mm×150mm×10mm的高強(qiáng)度拱形托板。錨索規(guī)格SKP21.6-1/1860-6300，沿巷道走向2-3布置，樹脂加長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨固，錨固劑規(guī)格1×MSK23120，錨固長(zhǎng)度1460mm，張拉力≥250kN，配合300mm×300mm×16mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具。護(hù)表構(gòu)件采用金屬網(wǎng)片與規(guī)格為BHW235/280/4-4800-6，兩邊壓邊的W鋼帶。兩幫支護(hù)：錨桿參數(shù)同頂板支護(hù)，間排距為900mm×900mm。錨索規(guī)格為SKP17.8-1/1860-4300，2-1布置，錨固劑規(guī)格1×MSK23120，錨固長(zhǎng)度1756mm，張拉力≥150kN。護(hù)表構(gòu)件采用金屬網(wǎng)與規(guī)格為300mm×460mm×4mm，四邊壓邊的W鋼護(hù)板。

起底掘進(jìn)期間：兩幫支護(hù)錨桿參數(shù)同上，差別在于間排距為700mm×900mm。錨索規(guī)格為SKP17.8-1/1860-4300，每排1根，即巷道成型后幫部共打設(shè)7根錨桿，錨索為3-2布置。

3.2 支護(hù)效果

礦壓監(jiān)測(cè)是反映支護(hù)效果的重要依據(jù)。在9105進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間設(shè)置2個(gè)測(cè)站，監(jiān)測(cè)內(nèi)容為錨桿索受力與巷道表面位移，錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)編號(hào)如圖12所示。

初次掘進(jìn)期間監(jiān)測(cè)了距監(jiān)測(cè)斷面100m范圍內(nèi)礦壓變化。部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖13～圖15所示。

圖13為巷道表面位移圖。由圖13可知：在掘進(jìn)超前測(cè)點(diǎn)55m后巷道變形基本趨于穩(wěn)定。兩幫移近量為27mm，頂板下沉23mm，圍巖變形控制效果較好。

圖13 巷道表面位移

圖14為錨桿受力圖。由圖14可知，錨桿安裝后初始受力普遍為70～80kN，錨桿整體受力變動(dòng)較小，受力最終穩(wěn)定在70～100kN范圍之間。整體來(lái)看錨桿受力較為穩(wěn)定。

圖14 錨桿受力

圖15為錨索受力圖。由圖15可知：頂錨索安裝后初始張拉力在250～280kN之間，幫錨索初始受力為155kN左右，之后隨掘進(jìn)變動(dòng)很小，整體穩(wěn)定。

圖15 錨索受力

由圖14及圖15可知，該支護(hù)方式錨桿及錨索能夠很好地發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)效力，很好地控制了巷道變形，支護(hù)效果良好。

4 結(jié) 論

(1)9105進(jìn)風(fēng)巷先掘進(jìn)3.5m高度，再起底2m成巷效果優(yōu)于一次成巷，且在頂?shù)装宄霈F(xiàn)水平應(yīng)力峰值，因此采用高強(qiáng)錨桿+錨索支護(hù)效果要優(yōu)于全錨索支護(hù)方式。

(2)新元煤礦高幫大斷面半煤巖巷道垂直應(yīng)力峰值出現(xiàn)在兩幫巖層部位，因此在支護(hù)時(shí)可加強(qiáng)該處支護(hù)，同時(shí)加強(qiáng)巷道底部支護(hù)能夠有效遏制巷道底鼓。

(3)采用高強(qiáng)高剛度錨桿+高強(qiáng)錨索協(xié)同支護(hù)方式能夠有效發(fā)揮錨桿索主動(dòng)支護(hù)作用，很好地控制巷道變形。

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TD353

B

1006-6225(2017)06-0069-05

2017-07-03

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.017

管俊才(1965-)，男，山西五寨人，高級(jí)工程師，主要從事煤礦管理工作。

管俊才.高幫大斷面半煤巖巷道控制技術(shù)研究[J].煤礦開采，2017，22(6)：69-73.

李青]