薄煤層堅硬頂?shù)装寤夭上锏绹鷰r控制技術(shù)研究

鄭冬杰，王 猛，張 蒙，李四清

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院 ，河南 焦作 454000；2.運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000 3.山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 長治 046605)

長期以來，巷道支護(hù)作為保障煤炭安全高效開采的一項重要內(nèi)容得到了快速有效地發(fā)展[1-3]。其中，錨桿支護(hù)技術(shù)因具有可靠性強(qiáng)、支護(hù)強(qiáng)度高、成本低、勞動強(qiáng)度小等優(yōu)點(diǎn)，逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的砌碹、U型鋼支護(hù)，在我國煤礦巷道支護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過對錨桿支護(hù)理論、巷道控制技術(shù)、支護(hù)材料及設(shè)備展開了大量研究，取得了顯著的研究成果，使得巷道錨桿支護(hù)技術(shù)逐漸趨于成熟[4-7]。其中，對于一些頂?shù)装鍒杂睬彝暾暂^好的薄煤層回采巷道，掘進(jìn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)錨桿(索)鉆眼困難、掘進(jìn)速度慢、工人勞動強(qiáng)度高等問題，若錨桿支護(hù)參數(shù)選擇不合理，不僅嚴(yán)重影響工作面正常的接替關(guān)系，而且增加了礦井生產(chǎn)成本，成為制約該類條件下煤礦安全高效生產(chǎn)的主要問題之一[8-15]。

為此，本文采用實(shí)驗室試驗、理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場工業(yè)性試驗等綜合研究方法，基于對薄煤層堅硬頂?shù)装寤夭上锏谰蜻M(jìn)中現(xiàn)存問題的分析，綜合實(shí)驗室?guī)r石力學(xué)性能測試結(jié)果與圍巖應(yīng)力演化規(guī)律及變形破壞特征的分析，提出并優(yōu)化該類條件下回采巷道圍巖控制技術(shù)與參數(shù)，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場工程實(shí)踐。

1 工程背景

1.1 試驗巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件

試驗巷道為慈林山煤礦9103工作面回風(fēng)巷，位于井田北翼一盤區(qū)，毗鄰9101工作面采空區(qū)，呈東西方向布置。工作面寬度150m，埋深約為280m，所采9號煤層賦存結(jié)構(gòu)簡單，厚度1.0～1.6m，平均厚度1.3m，煤層傾角2°～3°，屬于近水平煤層。9103工作面回風(fēng)巷總長1550m，采用留設(shè)30m寬煤柱護(hù)巷方式掘進(jìn)，巷道布置如圖1所示，工作面頂?shù)装鍘r性如表1所示。

圖1 工作面采掘平面

表1 工作面頂?shù)装鍘r性

1.2 試驗巷道原支護(hù)參數(shù)

試驗巷道斷面形狀為矩形，巷道寬×高為3600mm×2200mm，采用鉆爆法破底掘進(jìn)施工。支護(hù)形式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，頂板與寬煤柱幫采用規(guī)格φ20mm×2200mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，間排距800mm×800mm；頂板采用φ17.8mm×6300mm錨索加強(qiáng)支護(hù)，排距2400mm，每排1根，位于巷道頂板中央；頂板與寬煤柱幫鋪設(shè)φ2mm鐵絲網(wǎng)與φ12mm圓鋼焊接的鋼筋梯子梁。實(shí)煤體幫側(cè)采用φ18mm×2000mm玻璃鋼錨桿支護(hù)，間排距800mm×800mm，并鋪設(shè)雙抗塑料網(wǎng)。

1.3 現(xiàn)存主要問題

試驗巷道原支護(hù)參數(shù)施工過程中存在主要問題：巷道采用鉆爆法破底掘進(jìn)施工，頂板與兩幫下部均為堅硬巖體，在錨桿(索)支護(hù)施工過程中，鉆眼困難，經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、折鉆等現(xiàn)象，尤其是兩幫頂?shù)捉莾A斜錨桿施工時，需穿層鉆眼，施工極為困難，造成巷道掘進(jìn)速度緩慢。據(jù)統(tǒng)計，巷道掘進(jìn)每日進(jìn)尺僅為3～5m，通常1班放炮，2班支護(hù)，整條巷道掘進(jìn)完成需1a時間以上，嚴(yán)重影響了工作面正常接續(xù)關(guān)系；由于設(shè)計錨桿(索)支護(hù)密度相對較大，不僅導(dǎo)致工人勞動強(qiáng)度高，效率低下，且增加了巷道支護(hù)材料用量，經(jīng)濟(jì)成本較高。因此，亟需對試驗巷道錨桿(索)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以解決上述問題，在保持巷道圍巖穩(wěn)定的同時，緩解工作面接續(xù)緊張的局面。

2 巷道圍巖力學(xué)性能與應(yīng)力、變形特征分析

2.1 巖石力學(xué)性能測試

基于現(xiàn)場生產(chǎn)地質(zhì)條件的分析得知，對巷道圍巖穩(wěn)定影響較大的為頂板5.5m粉砂巖與底板3.73m石灰?guī)r，分別為巷道的基本頂與基本底。作為優(yōu)化巷道支護(hù)技術(shù)與參數(shù)的重要指標(biāo)，需對二者及煤層力學(xué)性能深入了解。分別對巷道基本頂、基本底與煤層切割取樣，進(jìn)行實(shí)驗室?guī)r石力學(xué)性能測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 巖石力學(xué)性能測試結(jié)果

由表2可知，巷道基本頂平均抗壓強(qiáng)度為52.22MPa，屬于較堅硬類巖石，基本底平均抗壓強(qiáng)度為85.81MPa，屬于堅硬類巖石。而煤體強(qiáng)度則相對較弱。測試結(jié)果顯示，煤體平均單軸抗壓強(qiáng)度僅為3.08MPa，屬于極軟類煤體，因此在設(shè)計巷道支護(hù)參數(shù)時應(yīng)特別注意對兩幫松軟煤體的控制。

2.2 試驗巷道應(yīng)力環(huán)境分析

試驗巷道鄰近9101采空區(qū)，設(shè)計護(hù)巷煤柱為30m，工作面埋深約280m，原巖應(yīng)力7MPa?；诠ぷ髅嫔a(chǎn)地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬方法分析9101采空區(qū)邊緣煤體垂直應(yīng)力分布情況，計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 采空區(qū)邊緣煤體垂直應(yīng)力分布曲線

工作面采空區(qū)邊緣煤體垂直應(yīng)力分為3個區(qū)域：應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)與原巖應(yīng)力區(qū)[16]。確定護(hù)巷煤柱寬度時，原則上是避開應(yīng)力增高區(qū)，將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)(沿空掘巷)或原巖應(yīng)力區(qū)(寬煤柱護(hù)巷)，避免巷道因處于高應(yīng)力環(huán)境中而增加其自身維護(hù)難度。巷道在9101工作面回采結(jié)束前已完成開口，試驗巷道采用30m寬煤柱護(hù)巷方式掘進(jìn)。由圖2可知，應(yīng)力增高區(qū)集中在距離采空區(qū)5～25m的位置，采用30m護(hù)巷煤柱已使巷道處于原巖應(yīng)力區(qū)中，類似與實(shí)煤體巷道掘進(jìn)，圍巖所處應(yīng)力環(huán)境較為優(yōu)越。

2.3 巷道圍巖變形分析

以9101工作面回風(fēng)巷為例，巷道自掘出后，經(jīng)歷短暫變形期后即趨于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道最大變形量主要發(fā)生在支護(hù)強(qiáng)度相對較低的實(shí)煤體幫側(cè)。工作面回采期間，即使是在超前支承壓力作用下，巷道圍巖仍保持較好的穩(wěn)定性，兩幫移近量約為100mm，頂?shù)装逡平考s為30～50mm。表明巷道支護(hù)阻力完全可以抵抗采動支承壓力的調(diào)整與釋放產(chǎn)生的圍巖變形，也為巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供了現(xiàn)場分析依據(jù)。

3 巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 巷道支護(hù)技術(shù)

采用數(shù)值模擬方法，分析了不同錨桿(索)預(yù)緊力、直徑、長度、間排距等支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖變形量的影響規(guī)律，并據(jù)此確定了試驗巷道優(yōu)化參數(shù)[17]，具體支護(hù)參數(shù)如下：

支護(hù)形式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，頂板和寬煤柱幫均采用φ20mm×2200mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，間排距分別為1000mm×1200mm和800mm×1200mm，實(shí)煤體幫采用φ18mm×2000mm玻璃鋼錨桿支護(hù)，間排距800mm×1200mm，其中，兩幫每排僅布置2根錨桿，位于煤體內(nèi)；頂板與寬煤柱幫鋪設(shè)φ2mm鐵絲網(wǎng)與φ12mm圓鋼焊接的鋼筋梯子梁，實(shí)煤體幫鋪設(shè)雙抗塑料網(wǎng)與φ12mm圓鋼焊接的鋼筋梯子梁；頂板采用φ17.8mm×5300mm錨索加強(qiáng)支護(hù)，排距3600mm，每排1根，位于巷道頂板中央。

新支護(hù)方案巷道支護(hù)斷面如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)斷面

3.2 支護(hù)效果數(shù)值模擬分析

3.2.1 巷道圍巖應(yīng)力演化規(guī)律對比

數(shù)值模擬所得新支護(hù)參數(shù)與原支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖垂直應(yīng)力演化如圖4所示。

圖4 巷道圍巖垂直應(yīng)力

由圖4巷道圍巖垂直應(yīng)力演化規(guī)律得知，采用新支護(hù)參數(shù)巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后兩幫垂直應(yīng)力峰值區(qū)范圍與原支護(hù)參數(shù)下基本相同，垂直應(yīng)力峰值約8MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.6；新支護(hù)參數(shù)下應(yīng)力集中區(qū)相比于原支護(hù)參數(shù)略微向巷道兩幫方向轉(zhuǎn)移，距離巷道兩幫約為2.5～3m。

3.2.2巷道圍巖塑形區(qū)演化規(guī)律對比

數(shù)值模擬所得新支護(hù)參數(shù)與原支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)分布

由圖5巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律得知，采用新支護(hù)參數(shù)巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后圍巖塑性區(qū)分布范圍與原支護(hù)參數(shù)下基本相同，頂?shù)装逅苄詤^(qū)擴(kuò)展范圍約為2m，寬煤柱幫與實(shí)煤體幫塑性區(qū)擴(kuò)展范圍分別約為4～7m，2～4m；但兩種支護(hù)參數(shù)下巷道塑性區(qū)內(nèi)圍巖破壞方式相差較大，新支護(hù)參數(shù)下巷道頂板剪切破壞范圍較原支護(hù)參數(shù)下有所減小，底角拉伸破壞范圍較原支護(hù)參數(shù)下減小1m左右。

3.2.3 巷道圍巖變形量對比

數(shù)值模擬所得新支護(hù)參數(shù)與原支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖變形情況如圖6所示。

兩種支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖變形量匯總?cè)绫?所示。

表3 優(yōu)化前后巷道圍巖變形量匯總

綜合分析圖6和表3可知，新支護(hù)參數(shù)下的巷道表面位移與圍巖破壞變形范圍相較于原支護(hù)參數(shù)均有所增加，但增加幅度不明顯，頂板下沉量由110.6mm增加到126.8mm，增大約14.6%，底鼓量由92.4mm增加到109.6mm，增大約18.6%，寬煤柱幫與實(shí)煤體幫分別增大約11.3%和8.1%，考慮到原支護(hù)參數(shù)下實(shí)測巷道表面位移量，變形量依然處于安全可控范圍內(nèi)。

3.3 工程應(yīng)用效果

試驗巷道采用新支護(hù)參數(shù)后，通過對巷道掘進(jìn)后10d的礦壓數(shù)據(jù)實(shí)測與分析，得到巷道圍巖表面位移監(jiān)測曲線如圖7所示。

圖7 巷道圍巖位移監(jiān)測曲線

由圖7可知，采用新支護(hù)參數(shù)后，巷道圍巖觀測期內(nèi)頂?shù)装迮c兩幫移近量分別約為22mm和28mm，圍巖變形主要發(fā)生在巷道掘出后前5～6d內(nèi)，主要為掘進(jìn)擾動產(chǎn)生的變形；之后巷道圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。因此得到，巷道采用新支護(hù)參數(shù)可有效保持頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r的整體性與穩(wěn)定性。

4 經(jīng)濟(jì)與社會效益評價

試驗巷道采用新支護(hù)參數(shù)后，以每百米巷道錨桿數(shù)量、鉆孔總長度，錨索數(shù)量、鉆孔總長度、材料消耗等幾個方面與原支護(hù)方式進(jìn)行對比(如表4所示)，用以評價新支護(hù)參數(shù)下的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

由表4可見，相比于原支護(hù)參數(shù)，巷道采用新支護(hù)后的百米錨桿(索)數(shù)量及鉆孔長度都有約50%的減少，支護(hù)材料消耗基本上也減少50%以上。因此，采用新支護(hù)參數(shù)后不僅降低約50%的巷道支護(hù)材料成本，提高礦井經(jīng)濟(jì)效益，同時可大幅度降低工人的勞動強(qiáng)度，提高巷道掘進(jìn)速度，緩解采掘接替緊張關(guān)系，具有顯著的社會效益。

表4 回風(fēng)巷優(yōu)化結(jié)果對比

5 結(jié) 論

(1)基于實(shí)驗室?guī)r石力學(xué)性能測試結(jié)果與圍巖應(yīng)力演化規(guī)律及變形破壞特征的分析，總結(jié)得到試驗巷道錨網(wǎng)索支護(hù)優(yōu)化依據(jù)：頂?shù)装鍘r層巖性為強(qiáng)度較大的灰?guī)r和細(xì)砂巖；護(hù)巷煤柱較寬促使巷道圍巖所處應(yīng)力環(huán)境相對優(yōu)越；巷道掘采兩階段內(nèi)圍巖變形量較小。

(2)針對薄煤層堅硬頂?shù)装逑锏捞岢鰠?shù)優(yōu)化方案，并對巷道圍巖新支護(hù)參數(shù)下圍巖控制效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析結(jié)果顯示，巷道采用新支護(hù)參數(shù)圍巖變形破壞方式與變形量雖有小幅增加，但依然可有效控制巷道圍巖變形?；趦?yōu)化后新支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析，巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后圍巖頂?shù)装迮c兩幫變形量分別約為22mm和28mm。并通過優(yōu)化前后的經(jīng)濟(jì)社會效益對比，采用新支護(hù)參數(shù)后除巷道支護(hù)材料成本降低約50%，同時大幅度降低工人的勞動強(qiáng)度，提高巷道掘進(jìn)速度，緩解采掘接替緊張關(guān)系，經(jīng)濟(jì)社會效益顯著。