晉普山煤礦孤島工作面錨桿支護(hù)技術(shù)研究

王宇鵬，宋剛

（中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，河北邯鄲 056031）

晉普山煤礦孤島工作面錨桿支護(hù)技術(shù)研究

王宇鵬，宋剛

（中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，河北邯鄲 056031）

針對(duì)晉普山煤礦10504孤島工作面安全回采問(wèn)題，基于晉普山煤礦3號(hào)煤巷道的地質(zhì)力學(xué)條件，運(yùn)用FLAC3D對(duì)該工作面運(yùn)輸巷的圍巖穩(wěn)定性及受采動(dòng)影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，確定了工作面運(yùn)輸巷的支護(hù)參數(shù)。通過(guò)對(duì)運(yùn)輸巷的綜合監(jiān)測(cè)，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平康玫搅擞行У目刂?，?yàn)證了該支護(hù)系統(tǒng)的科學(xué)性、合理性，確保了巷道支護(hù)的可靠性，保證了礦井的生產(chǎn)安全。

數(shù)值模擬；孤島工作面；巷道支護(hù)；錨桿支護(hù)

孤島工作面采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)有其特殊性，煤體破碎、礦壓顯現(xiàn)劇烈、支護(hù)難度大是孤島工作面的主要特征。若支護(hù)設(shè)計(jì)不當(dāng)，極易造成工作面巷道變形嚴(yán)重，對(duì)安全生產(chǎn)造成極大影響。為探索孤島工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[1-3]。

晉普山煤礦10504工作面為孤島工作面，礦山壓力顯現(xiàn)特征與非孤島工作面有很大區(qū)別，采用傳統(tǒng)金屬支架支護(hù)不能滿(mǎn)足孤島工作面的支護(hù)效果，需充分調(diào)動(dòng)圍巖的自身承載能力，采用錨桿支護(hù)方式[4-8]。

1 工作面概況

10504工作面位于主采3號(hào)煤的105采區(qū)西翼。10504工作面以北為10506工作面，以南為10502工作面，以東為北回風(fēng)、北大巷保護(hù)煤柱，以西為10516已采工作面。工作面地面位于張村東北約1 000 m的丘陵地帶，地表為耕地及荒山。地面標(biāo)高為+925～+975 m，工作面巷道開(kāi)口位置位于+740 m水平，煤層埋藏深度為185～235 m。工作面煤層平均厚4.0 m，煤層直接頂板為泥巖，直接底為砂質(zhì)泥巖。10504工作面位置示意圖，見(jiàn)圖1。

10504工作面采用雙巷布置方式，即在工作面兩端分別布置一條工作面回風(fēng)巷和工作面運(yùn)輸巷。巷道均沿著煤層頂板掘進(jìn)，西北方向布置回采工作面，工作面長(zhǎng)170 m，推進(jìn)長(zhǎng)度500 m。工作面運(yùn)輸巷斷面形式為矩形，巷道掘進(jìn)斷面寬為4.2 m，高為2.5 m，鋪設(shè)帶式輸送機(jī)和軌道；工作面回風(fēng)巷斷面形式為矩形，巷道掘進(jìn)斷面寬為4.2 m，高為2.5 m，鋪設(shè)軌道。

2 煤層頂?shù)装逦锢砹W(xué)性質(zhì)

1）3號(hào)煤平均厚4.0 m，單軸抗壓強(qiáng)度為5.34 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.56 MPa，抗剪強(qiáng)度為2.70 MPa，泊松比為0.18，彈性模量為802 MPa，內(nèi)聚力為1.67 MPa，內(nèi)摩擦角為24°，屬于軟煤。

2）3號(hào)煤直接頂板泥巖厚3.0 m，單軸抗壓強(qiáng)度為13.65 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.875 MPa，抗剪強(qiáng)度為1.835 MPa，泊松比為0.25，彈性模量為1 129 MPa，內(nèi)聚力為3.66 MPa，內(nèi)摩擦角為26°，屬于較軟巖層。

3）3號(hào)煤老頂中粒砂巖厚12 m，單軸抗壓強(qiáng)度為78.04 MPa，抗拉強(qiáng)度為4.3 MPa，抗剪強(qiáng)度為20.79 MPa，泊松比為0.36，彈性模量為8 852 MPa，內(nèi)聚力為15.11 MPa，內(nèi)摩擦角為33°，屬于堅(jiān)硬巖層。

4）3號(hào)煤底板砂質(zhì)泥巖厚3.2 m，單軸抗壓強(qiáng)度為10.55 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.225 MPa，抗剪強(qiáng)度為2.0 MPa，泊松比為0.22，彈性模量為3 682 MPa，內(nèi)聚力為5.03 MPa，內(nèi)摩擦角為27°，屬于較軟巖層。

3 巷道的數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模擬模型設(shè)計(jì)

模擬方法采用美國(guó)大型巖土工程計(jì)算軟件FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions），彈塑性材料模型。運(yùn)用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞。

根據(jù)原煤炭工業(yè)部發(fā)布的《我國(guó)緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)方案》，得到采深在180～235 m范圍內(nèi)，煤柱尺寸為20 m時(shí)，工作面巷道為Ⅳ類(lèi)不穩(wěn)定圍巖。根據(jù)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范推薦的Ⅳ類(lèi)巷道錨桿支護(hù)基本形式為：錨桿+W鋼帶+網(wǎng)，或增加錨索；桁架+網(wǎng)，或增加錨索。推薦的頂板支護(hù)主要參數(shù)為：全長(zhǎng)錨固，桿體直徑16～22 mm，桿體長(zhǎng)度1.6～2.4 m，間排距0.6～1.0 m。根據(jù)推薦的支護(hù)方式，初步確定工作面運(yùn)輸巷支護(hù)參數(shù)：錨桿直徑20 mm，長(zhǎng)2 200 mm，間排距800 mm；錨索直徑17.8 mm，長(zhǎng)7 300 mm，間排距1 600 mm。

工作面運(yùn)輸巷計(jì)算模型，見(jiàn)圖2。運(yùn)輸巷為矩形斷面，沿3號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面尺寸為寬x 高=4.2 mx2.5 m。模型取回采工作面一側(cè)60 m。運(yùn)輸巷的另一側(cè)為煤柱和采空區(qū)，取50 m，其中煤柱寬為20 m；則模型寬度為114.2 m。模擬3號(hào)煤厚4 m，頂板厚46.26 m，底板厚24.2 m，則模型高度為74.46 m。模型沿工作面推進(jìn)長(zhǎng)度取200 m，則模型的長(zhǎng)x寬x高=200 mx114.2 mx74.46 m。模型的四個(gè)側(cè)面為位移邊界，限制水平位移；底部為固定邊界，限制水平位移和垂直位移。模型劃分為204 200個(gè)單元，220 122個(gè)節(jié)點(diǎn)?？紤]煤層埋深在235 m的圍巖穩(wěn)定性。上覆巖層的重力，按均布荷載施加在模型的上部邊界。模擬時(shí)，先開(kāi)挖運(yùn)輸巷，然后進(jìn)行工作面回采，同時(shí)在運(yùn)輸巷距工作面煤壁前方100 m處斷面上沿巷道頂?shù)装逯悬c(diǎn)、兩幫腰線(xiàn)處以及錨桿錨索錨固高度位置布置應(yīng)力和位移測(cè)點(diǎn)，記錄工作面推進(jìn)過(guò)程中巷道圍巖應(yīng)力和位移的變化。

3.2 模擬過(guò)程及結(jié)果

建好模型后，計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)至平衡，逐一開(kāi)挖各條巷道，開(kāi)挖后立即采用相應(yīng)的支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)，計(jì)算至平衡后，讀取采動(dòng)影響前的圍巖變形量。然后模擬工作面的推進(jìn)，以記錄工作面推進(jìn)距離對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。同時(shí)考慮采空區(qū)已冒落矸石對(duì)上覆巖層的支承作用，采用具有一定碎脹系數(shù)和物理力學(xué)特征的彈性材料充填工作面后方一定距離外的采空區(qū)。在整個(gè)模擬運(yùn)算過(guò)程中始終監(jiān)測(cè)各條巷道關(guān)鍵層位的變形情況，記錄并存儲(chǔ)每一步運(yùn)算結(jié)果。

工作面運(yùn)輸巷頂?shù)装?、兩幫移近量和錨桿、錨索錨固范圍內(nèi)頂板離層值隨測(cè)點(diǎn)至工作面煤壁距離變化的計(jì)算結(jié)果，如表1和表2所示。圖3為超前工作面煤壁不同距離處運(yùn)輸巷圍巖屈服單元分布圖。

從表1和表2中可以看出，受本工作面采動(dòng)影響，頂?shù)装濉蓭鸵平吭?～50 m的范圍內(nèi)明顯增加，頂?shù)装逡平吭黾?9.8 mm，兩幫移近量增加7.8 mm，錨桿、錨索錨固范圍頂板離層量在0～50 m的范圍內(nèi)變小，說(shuō)明上覆巖層下沉量增加但支護(hù)系統(tǒng)仍處于良好的承載狀態(tài)。

4 支護(hù)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析，確定晉普山10504工作面運(yùn)輸巷采用樹(shù)脂錨固錨桿支護(hù)系統(tǒng)，并且進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)。

運(yùn)輸巷斷面為矩形斷面，掘進(jìn)斷面寬x高= 4 200 mmx2 500 mm，斷面積S=10.5 m2。基本支護(hù)方式：錨桿+金屬網(wǎng)；加強(qiáng)支護(hù)方式：快速承載預(yù)應(yīng)力錨索。運(yùn)輸巷支護(hù)設(shè)計(jì)圖，見(jiàn)圖4。

1）頂板支護(hù)。頂板錨桿材料為HRB400型高強(qiáng)螺紋鋼(25MnSi)。頂板錨桿直徑，20 mm。頂板錨桿長(zhǎng)度，L=2 200 mm。頂板錨桿排距B=800 mm。頂板錨桿間距D=900 mm，邊錨桿距巷幫300 mm，并要求向巷幫側(cè)傾斜20°。每排布置5根頂板錨桿。頂板錨桿錨固劑：每孔使用K2335型樹(shù)脂錨固劑1卷，Z2360型樹(shù)脂錨固劑2卷。頂板錨桿托板為150 mmx150 mmx10 mm鐵托板。頂板網(wǎng)采用6 mm的HPB235鋼筋制作，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mmx100 mm，網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度為100 mm。頂板錨索材料：7股1860級(jí)鋼絞線(xiàn)。頂板錨索直徑17.8 mm。頂板錨索長(zhǎng)度L=7 300 mm，鉆孔深度7 000 mm，外露300 mm。錨索排距與間距：每排2根，間距1 800 mm，距巷幫1 200 mm，排距1 600 mm，錨索垂直頂板巖面。頂板錨索錨固劑：每孔使用K2335型樹(shù)脂錨固劑1卷，Z2360型樹(shù)脂錨固劑3卷。頂板錨索托板：長(zhǎng)x寬x厚=300 mmx300 mmx15 mm鐵托板。

2）巷幫支護(hù)。幫錨桿材料：玻璃鋼桿體。幫錨桿直徑20 mm。幫錨桿長(zhǎng)度L=2 000 mm，鉆孔深度1 900 mm。幫錨桿排距800 mm。幫錨桿間距D= 800 mm，上部錨桿距頂板400 mm，并向上傾斜20°；下部錨桿距底板500 mm，并向下傾斜20°。幫網(wǎng)：用6 mm的HPB235鋼筋制作，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mmx100 mm，網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度為100 mm。幫錨桿托板：150 mmx150 mmx10 mm鐵托板。幫錨桿錨固劑：每孔使用K2335型和Z2360型樹(shù)脂錨固劑各1卷。在非回采煤壁側(cè)幫錨桿可選用18 mm、L= 2 000 mm的HRB335型螺紋鋼錨桿。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）基于晉普山煤礦3號(hào)煤巷道的地質(zhì)力學(xué)條件，運(yùn)用FLAC3D對(duì)10504工作面運(yùn)輸巷在錨固狀態(tài)下的圍巖穩(wěn)定性及受采動(dòng)影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，確定了工作面運(yùn)輸巷的支護(hù)參數(shù)。

2）工作面運(yùn)輸巷采用的支護(hù)形式均較好的控制了圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展，錨索都深入到了穩(wěn)定圍巖中，并起到了較好的懸吊作用。巷道圍巖的強(qiáng)度得到了加強(qiáng)。

3）工作面運(yùn)輸巷在采動(dòng)期間，超前工作面50 m頂?shù)装搴蛢蓭鸵平棵黠@增加，此時(shí)應(yīng)對(duì)運(yùn)輸巷進(jìn)行超前加強(qiáng)支護(hù)。

4）通過(guò)對(duì)運(yùn)輸巷的綜合監(jiān)測(cè)，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平康玫搅擞行У目刂疲?yàn)證了該支護(hù)系統(tǒng)的科學(xué)性、合理性，確保了巷道支護(hù)的可靠性，保證了礦井的生產(chǎn)安全。

5）通過(guò)對(duì)孤島工作面回采巷道支護(hù)形式及回采期間巷道變形規(guī)律的研究，對(duì)孤島工作面巷道支護(hù)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，可為以后此類(lèi)巷道支護(hù)提供借鑒意義。

[1]秦忠誠(chéng)，王同旭.深井孤島綜放工作面跨采軟巖巷道合理支護(hù)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2003，32(5):7-10.

[2]劉長(zhǎng)友，黃炳香，孟祥軍，等.超長(zhǎng)孤島綜放工作面支承壓力分布規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(S1)：2761-2766.

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[8]康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(7):721-726.

Bolt Supporting Technology on Island Mining Face in Jinpushan Mine

WANG Yupeng，SONG Gang
(Handan Design Engineering ChinaCoal Co.，Ltd.，Handan 056031，China)

To realize the safe mining of the No.10504 island mining face，F(xiàn)LAC3Dwas used to study the stability of surrounding rock of transportation roadway and mining influence to determine supporting parameters based on the geomechanics of No.3 roadway in Jinpushan mine.By the integrated monitoring，the effective control of roof-floor and two-side deformation has been achieved.The study verified the rationality and reliability of the supporting system，which could ensure the safety production of the mine.

numerical simulation;island mining face;roadway support;bolt support

TD353.6

A

1672-5050（2015）02-0043-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.014

（編輯：薄小玲）

2015-01-20

王宇鵬（1985-），男，內(nèi)蒙古通遼人，大學(xué)本科，助理工程師，從事礦井設(shè)計(jì)工作。