黃陵礦業(yè)一號(hào)煤礦圍巖控制支護(hù)技術(shù)研究

高健銘，梁 林，趙 群

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦，陜西黃陵 727307)

0 引言

陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦核定生產(chǎn)能力為600萬(wàn) t/a，井田面積197．5 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量4．4 億 t，可采儲(chǔ)量 3．4 億 t。2#煤層為礦井唯一主采煤層，傾角一般在 1°～5°，厚度 0．9 ～4．62 m，平均厚度2．77 m。煤層結(jié)構(gòu)屬簡(jiǎn)單—較復(fù)雜類(lèi)型，含夾矸0～3層。礦井采用平硐、斜井聯(lián)合開(kāi)拓，盤(pán)區(qū)式開(kāi)采布置方式，現(xiàn)主要生產(chǎn)盤(pán)區(qū)為六盤(pán)區(qū)和八盤(pán)區(qū)。礦井為單水平開(kāi)拓(+880水平)，主要大巷沿煤層布置，采煤工藝為綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板，相鄰工作面之間采用留設(shè)30 m保護(hù)煤柱。

隨著一號(hào)煤礦開(kāi)采范圍的不斷延伸，開(kāi)采深度不斷加大，巷道圍巖地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，回采巷道在服務(wù)過(guò)程中頂板下沉、幫部垮裂、底臌等現(xiàn)象日益嚴(yán)重?；夭上锏乐ёo(hù)參數(shù)的不合理性已明顯顯現(xiàn)，給礦井的高產(chǎn)高效、智能化開(kāi)采和安全管理帶來(lái)了不利因素。相鄰工作面采動(dòng)壓力和本工作面超前支承壓力對(duì)巷道雙重動(dòng)壓影響明顯。掘進(jìn)到回采時(shí)間跨度較長(zhǎng)的地段，持續(xù)性的頂壓荷載造成錨索脫鎖、錨桿托盤(pán)壓毀及錨桿鉆頂?shù)痊F(xiàn)象。目前，動(dòng)壓破壞影響嚴(yán)重段巷道，以補(bǔ)打密集型頂錨索和幫錨桿加強(qiáng)支護(hù)的方法基本能維護(hù)好頂、幫圍巖，但整體上支護(hù)材料消耗過(guò)大，支護(hù)密度高，支護(hù)規(guī)范沒(méi)有側(cè)重點(diǎn)更沒(méi)有科學(xué)驗(yàn)證，難以保證礦井安全、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。

1 理論依據(jù)

自穩(wěn)隱形拱理論是由西安科技大學(xué)黃慶享教授提出的，該理論指出巷道支護(hù)應(yīng)當(dāng)將“底板—兩幫—頂板”作為一個(gè)整體系統(tǒng)進(jìn)行考慮，提出了“治頂先治幫、治幫先治底”支護(hù)原則，在西北和西南礦區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，為軟巖巷道支護(hù)提供了新的依據(jù)。該理論指出幫錨桿能夠改善巷道圍巖的穩(wěn)定性，如果在幫部采取預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，由于巷道開(kāi)挖產(chǎn)生的極限自穩(wěn)隱形拱就會(huì)消失，圍巖穩(wěn)定性增強(qiáng);同時(shí)該理論得出頂板錨桿的加固作用能夠改變自穩(wěn)隱形拱的大小，如果頂部采取預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)自穩(wěn)隱形拱不斷變小，使巷道頂板的穩(wěn)定性增加。

自穩(wěn)隱形拱理論要點(diǎn)，①幫錨桿的作用可以消除極限自穩(wěn)隱形拱，縮小圍巖的不穩(wěn)定范圍，如圖1所示;②頂錨桿的作用可以縮小自穩(wěn)隱形拱，增加頂板的穩(wěn)定性，如圖2所示;③錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中至少要有兩根錨桿深入到自穩(wěn)隱形拱內(nèi)500 mm以上并施加預(yù)應(yīng)力;錨桿在安裝后2 h內(nèi)要施加預(yù)應(yīng)力達(dá)到150 N·m;④錨索與錨桿共同形成錨網(wǎng)體系時(shí)，錨索的長(zhǎng)度應(yīng)該至少進(jìn)入極限自穩(wěn)隱形拱內(nèi)1 500 mm，錨索必須增加讓壓結(jié)構(gòu);⑤改變巷道斷面形狀或在頂板適當(dāng)位置加裝預(yù)應(yīng)力錨桿可以降低自穩(wěn)隱形拱的高度，取得較好的支護(hù)效果。

圖1 幫錨桿使極限自穩(wěn)隱形拱縮小

圖2 頂錨桿改變自穩(wěn)隱形拱

2 支護(hù)參數(shù)選定

2．1 支護(hù)參數(shù)理論計(jì)算

圍巖不穩(wěn)定區(qū)域確定:根據(jù)自穩(wěn)隱形拱計(jì)算公式

式中:W0—巷道頂部寬度，m;p0—巷道頂部垂直地壓，MPa;σ2—頂板圍巖體抗拉強(qiáng)度，MPa。代入相關(guān)數(shù)值得:巷道寬度4．6 m，頂板泥巖的抗拉強(qiáng)度0．5 MPa，巷道頂部垂直壓力 8．3 MPa，得到 h=1．8 m。

根據(jù)極限自穩(wěn)隱形拱最大值計(jì)算公式

代入相關(guān)數(shù)值得:巷道寬度4．6 m，巷道高度2.8 m，頂板泥巖的抗拉強(qiáng)度0．5 MPa，巷道頂部垂直壓力8．3 MPa，得到 hlim=3．91 m。

錨桿支護(hù)長(zhǎng)度確定:根據(jù)理論推導(dǎo)六盤(pán)區(qū)自穩(wěn)隱形拱高度為1．8 m，按照自穩(wěn)隱形拱理論，錨桿長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足:

式中:L—錨桿總長(zhǎng)度，m;L1—錨桿外露長(zhǎng)度，m;L2—有效長(zhǎng)度(自穩(wěn)隱形拱的高度)，m;L3—錨入長(zhǎng)度，錨入自穩(wěn)隱形拱以外0．5 m;L=0．1+1．8+0．5=2．4 m，故錨桿長(zhǎng)度取2．5 m。

頂錨索支護(hù)長(zhǎng)度確定:根據(jù)理論推導(dǎo)六盤(pán)區(qū)極限自穩(wěn)隱形拱高度為3．91 m，按照極限自穩(wěn)隱形拱理論計(jì)算確定，應(yīng)滿(mǎn)足:

式中:L—錨索總長(zhǎng)度，m;L1—錨索外露長(zhǎng)度，m;L2—有效長(zhǎng)度(極限自穩(wěn)隱形拱高度)，m;L3—錨入巖(煤)層內(nèi)深度，m。L=0．3+3．91+1．66=5.87 m，錨索按照安全系數(shù)增大原則設(shè)計(jì)為5．87×1.75=10．3 m。

錨桿間排距確定:

式中:a—錨桿間、排距，m;G—錨桿設(shè)計(jì)錨固力，錨桿錨固力一般不小于70 kN，取70 kN/根;k—安全系數(shù)，一般取2;L2—有效長(zhǎng)度，m，頂錨桿為1.26 m，幫錨桿為0．55 m;r—巖體容重，取26 kN/m3。頂錨桿 α＜1 m，幫錨桿 α＜1．5 m，因此，取頂錨桿間排距0．8 m ×0．8 m，幫錨桿0．7 m ×1 m。

錨索排距確定:

L≤nF2/［BHγ － (2F1sinθ)/L1］式中:L—錨索排距，m;n—錨索排數(shù)，取1;B—巷道最大冒落寬度，設(shè)計(jì)巷寬+2×幫部破碎深度=5．2+2 ×0．55=6．3 m;H—巷道最大冒落高度，m，取錨桿的最大支護(hù)長(zhǎng)度2．5 m;γ—巖體容重，kN/m3，取 26 kN/m3;L1—錨桿排距，m，取 0．8 m;F1—錨桿錨固力，kN，取70 kN;F2—錨索極限承載力，kN，Ф17．8 mm 錨索承載力為360 kN;θ—錨桿與巷道頂板的夾角，90°。經(jīng)計(jì)算得出:L≤1 m。

每排錨索根數(shù)理論計(jì)算:

式中:n—每排錨索根數(shù);T—錨索承載范圍內(nèi)巖石總重量，t。

式中:K—安全系數(shù)，一般取2;S—錨索梁承載總面積，m2。

式中:B—巷道凈寬度，m，取5．2 m;b—錨索梁承載寬度，m，取4．8 m;H—巷道最大冒落高度，m，取錨桿的最大支護(hù)長(zhǎng)度2．5 m;γ—巖體容重，kN/m3，取2．6 t/m3;W—錨索破斷載荷，kN，取 360 kN;經(jīng)計(jì)算得出:n≥3。

2．2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

本次625進(jìn)風(fēng)順槽試驗(yàn)段采用錨桿+錨索梁+幫部鋼帶+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿Ф20 mm×2 500 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，托盤(pán)200 mm×200 mm×12 mm，頂錨桿間排距800 mm×800 mm，幫錨桿700 mm×1 000 mm，幫部增加T140型鋼帶;錨索梁長(zhǎng)4 200 mm，排距800 mm，一梁四索，其中0～1 000 m(構(gòu)造發(fā)育區(qū)域)鋼絞線為Ф21．8 mm×12 300 mm，1 500～3 000 m 鋼絞線為 Ф17．8 mm ×10 300 mm，全斷面掛塑鋼網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 625進(jìn)順支護(hù)圖

3 試驗(yàn)段巷道受一次采動(dòng)影響現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

3．1 試驗(yàn)巷道觀測(cè)點(diǎn)布置

構(gòu)造發(fā)育試驗(yàn)段:在625進(jìn)風(fēng)順槽0～1 000 m構(gòu)造發(fā)育試驗(yàn)段巷道布設(shè)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，選擇100 m布設(shè)測(cè)點(diǎn)，每組測(cè)點(diǎn)間隔20 m。

頂板完好試驗(yàn)段:在625進(jìn)風(fēng)順槽1 500～3 000 m頂板完好試驗(yàn)段巷道選擇100 m布設(shè)測(cè)點(diǎn)，每組測(cè)點(diǎn)間隔20 m。

觀測(cè)項(xiàng)目及方法:為充分了解試驗(yàn)段巷道受一次采動(dòng)影響活動(dòng)規(guī)律，對(duì)試驗(yàn)段巷道采用多種方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。①頂?shù)装搴蛢蓭鸵平繙y(cè)點(diǎn)采用“十字布樁”法測(cè)量;②頂板離層、幫部位移觀測(cè);③錨桿(索)荷載監(jiān)測(cè)。

3．2 巷道觀測(cè)結(jié)果分析

頂板離層量觀測(cè)結(jié)果分析:623工作面正常推采過(guò)程中對(duì)625進(jìn)風(fēng)順槽頂板的擾動(dòng)大致為7天時(shí)間。即625進(jìn)風(fēng)順槽在距623工作面63 m以外，頂板累計(jì)位移量變化不大，可認(rèn)為頂板基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有發(fā)生離層現(xiàn)象。在距回采工作面63 m以?xún)?nèi)，隨著工作面的推進(jìn)，頂板位移量不斷增加，淺部基點(diǎn)處累計(jì)位移量最大為27 mm，深部基點(diǎn)累計(jì)位移量最大為30 mm，頂板無(wú)明顯離層顯現(xiàn)，見(jiàn)表1。

表1 625進(jìn)風(fēng)順槽頂板離層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

主幫、副幫深部位移量:625進(jìn)風(fēng)順槽主幫深部位移曲線表明隨著主幫圍巖深度的增加，其變形量逐漸減小，前10天變化較大，隨后變化率逐漸減小，直到巷道穩(wěn)定為止。副幫從第2天開(kāi)始，變形逐漸加快，到第9天開(kāi)始趨于穩(wěn)定。副幫相對(duì)于主幫，變形量明顯更大，主幫6 m范圍內(nèi)變形23 mm基本達(dá)到穩(wěn)定，而副幫6 m范圍內(nèi)的變形達(dá)到了35 mm，位移曲線如圖4所示。

錨桿(索)工作荷載:625進(jìn)風(fēng)順槽受一次采動(dòng)影響下錨索最大工作荷載達(dá)到148 kN，直徑17．8 mm錨索的破斷力為360 kN，說(shuō)明錨索設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求;受一次采動(dòng)影響下頂錨桿最大工作荷載61 kN，主、副幫錨桿最大工作荷載分別為31 kN、40 kN。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可知，幫錨桿達(dá)到了破斷力的40%，頂錨桿到達(dá)了破斷力的65%，設(shè)計(jì)值一般取破斷力70%，荷載曲線如圖5所示。

圖4 625進(jìn)風(fēng)順槽幫部位移曲線

圖5 625進(jìn)風(fēng)順槽錨桿(索)工作荷載曲線

巷道收斂規(guī)律:通過(guò)觀測(cè)分析可知，625進(jìn)風(fēng)順槽A、B測(cè)點(diǎn)巷道收斂變形主要集中在距離623工作面煤壁前方0～50 m，巷道收斂主要表現(xiàn)為巷道底臌和兩幫收斂，頂板最大下沉量90 mm，最大底臌量245 mm，兩幫最大移近量為110 mm，說(shuō)明625進(jìn)風(fēng)順槽設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)能夠滿(mǎn)足相鄰工作面采動(dòng)壓力下的支護(hù)強(qiáng)度要求，如圖6所示。

圖6 625進(jìn)風(fēng)順槽巷道收斂曲線圖

礦壓觀測(cè)結(jié)果:①?gòu)?25進(jìn)風(fēng)順槽受臨近工作面回采一次采動(dòng)影響期間的礦壓觀測(cè)結(jié)果分析，兩條巷道支護(hù)參數(shù)較為合理;②623工作面回采對(duì)625進(jìn)風(fēng)順槽的擾動(dòng)(一次采動(dòng)影響)距離為80～100 m，隨后影響逐漸減小。

4 基于Midas/GTS下的巷道收斂規(guī)律研究

4．1 力學(xué)參數(shù)與模型

為了了解回采巷道受二次動(dòng)壓影響，擬以625進(jìn)風(fēng)順槽為研究對(duì)象，采用計(jì)算機(jī)Midas/GTS模擬軟件，分析625工作面回采過(guò)程中625進(jìn)風(fēng)順槽道收斂規(guī)律和圍巖壓力分布狀況，從而對(duì)現(xiàn)有支護(hù)效果進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，模型如圖7所示。

表2 巖層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

圖7 數(shù)值模擬計(jì)算模型

4．2 計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果

二次動(dòng)壓下625進(jìn)風(fēng)順槽收斂規(guī)律:由于兩次回采間隔時(shí)間較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)周期過(guò)長(zhǎng)，因此本研究提出采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬625工作面回采工程，根據(jù)模擬結(jié)果，及時(shí)掌握回采巷道圍巖的收斂規(guī)律，對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行預(yù)先評(píng)價(jià)。圖8為巷道在經(jīng)受二次動(dòng)壓后的表面變形情況，可以看出，靠近主幫位置頂板變形了211 mm，靠近副幫位置頂板變形了253 mm;兩幫表面變形滿(mǎn)足中間大兩邊小的規(guī)律，副幫變形大于主幫，最大值分別為152 mm和67 mm。分析可知，①二次動(dòng)壓下巷道應(yīng)力重新分布區(qū)域進(jìn)一步向圍巖深部發(fā)展，625進(jìn)風(fēng)順槽頂板和底板表面圍巖拉應(yīng)力增加，受拉區(qū)域也有所擴(kuò)展;②625進(jìn)順受二次采動(dòng)壓力影響下整條巷道圍巖完整性依然較好，說(shuō)明625設(shè)計(jì)錨網(wǎng)索梁支護(hù)能夠滿(mǎn)足采面回采二次動(dòng)壓下的支護(hù)強(qiáng)度要求。

圖8 625進(jìn)順圍巖最大主應(yīng)力云圖

圍巖塑性區(qū)與松動(dòng)圈:在分析順槽圍巖松動(dòng)圈時(shí)，將礦山壓力荷載(地應(yīng)力和動(dòng)壓)分5次疊加，荷載的折減系數(shù)為 0．3、0．2、0．1、0．3、0．1。每進(jìn)行一次荷載疊加，計(jì)算一次圍巖塑性區(qū)，根據(jù)巖石破壞準(zhǔn)則計(jì)算出圍巖的破壞線 Li(i=1，2，3，4，5)，以該破壞線圍成的面作為順槽的新斷面，并將支護(hù)阻力作用在順槽表面(作用力方向垂直巷道表面)，再進(jìn)行模擬計(jì)算，共模擬5次，最后得到625進(jìn)風(fēng)順槽的松動(dòng)圈L=l5(如圖9所示)。通過(guò)該種迭代方法，很好地解決了有限元近似模擬大變形的離散元問(wèn)題。從圖9中可以看出，①在既有支護(hù)系統(tǒng)下，625進(jìn)風(fēng)順槽兩幫圍巖的松動(dòng)圈位于錨桿支護(hù)深度以?xún)?nèi)，最大為1．7 m;頂板圍巖的松動(dòng)圈介于錨索和錨桿之間，基本位于錨桿錨固深度附近，最大為2．3 m;由于巷道底板并未加固，相對(duì)于頂板和兩幫，其松動(dòng)圈最大，達(dá)到了3．3 m;②通過(guò)對(duì)圍巖松動(dòng)圈大小和支護(hù)深度比較得出，巷道支護(hù)深度較為合理，能夠適應(yīng)頂板圍巖變形。

圖9 625進(jìn)風(fēng)順槽圍巖松動(dòng)圈模擬云圖

5 結(jié)語(yǔ)

一號(hào)煤礦首次應(yīng)用自穩(wěn)隱形拱理論計(jì)算回采巷道圍巖控制支護(hù)參數(shù)并進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)多元化礦壓觀測(cè)方法(井下觀測(cè)、力學(xué)分析、工程歸納、Midas/GTS數(shù)值模擬等)，分析動(dòng)壓巷道受兩次采動(dòng)影響后的圍巖活動(dòng)規(guī)律，同時(shí)采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件分布多次迭代計(jì)算，測(cè)定巷道圍巖松動(dòng)圈，充分證明了支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性，形成了一號(hào)煤礦巷道圍巖控制支護(hù)技術(shù)，為今后黃陵礦區(qū)相似地質(zhì)條件下的巷道支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了借鑒依據(jù)。