工作面回撤巷道圍巖變形規(guī)律與支護(hù)優(yōu)化研究

郝 晶

(山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046200)

引 言

目前煤礦通過(guò)采用一些先進(jìn)回撤工藝，工作面回撤速度有所提高，但是由于回撤巷道所處位置特殊，仍然給設(shè)備回撤帶來(lái)較多困難[1-2]。潞安常村煤礦一工作面所處煤層頂?shù)装逍再|(zhì)較差，在煤層中布置的回撤巷道由于受到自身掘進(jìn)和工作面采動(dòng)影響，巷道變形嚴(yán)重，維護(hù)困難，嚴(yán)重影響綜采設(shè)備的快速回撤以及井下人員安全[3-4]。

以潞安常村煤礦回撤巷道為研究背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值模擬方法研究回撤巷道初始支護(hù)方案下的圍巖變形與錨桿軸力變化，并根據(jù)研究結(jié)果提出了相應(yīng)的支護(hù)優(yōu)化方案，為相似性采礦條件下的回撤巷道支護(hù)提供一定的依據(jù)。

1 工程背景

潞安常村煤礦位于山西省長(zhǎng)治市屯留縣境內(nèi)，其一工作面埋深350 m，工作面傾斜長(zhǎng)度220 m，走向長(zhǎng)度725 m，煤層厚度4.5 m，傾角為2°～9°，屬近水平煤層。工作面采用后退式開采，全部垮落法管理頂板?；爻吠ǖ烙芍骰爻废锏篮洼o回撤巷道組成，工作面及巷道布置如圖1所示。主回撤通道與輔回撤巷道長(zhǎng)×高=4.0 m×4.0 m，回撤巷道屬于煤巷，布置在煤層中，頂板與底板均留煤0.5 m。

圖1 工作面及巷道布置圖

2 數(shù)值模擬分析

采用有限差分軟件FLAC3D，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況為研究背景，模擬研究初始支護(hù)條件下煤層開采過(guò)程中主、輔回撤巷道的頂?shù)装逡平恳约绊敯邋^桿軸力，以及優(yōu)化支護(hù)下主、輔回撤巷道的頂?shù)装逡平恳约绊敯邋^桿、錨索軸力變化。

2.1 模型建立與開挖

運(yùn)用FLAC3D建立的數(shù)值模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=150 m×40 m×63.5 m，模型共包括32 982個(gè)單元，含有34 862個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。模型上部為自由邊界，施加7.2 MPa的垂直向下載荷，模型下部設(shè)置為固定約束邊界，模型兩側(cè)邊界限制水平位移。模型中主、輔回撤巷道均為長(zhǎng)×高=4.0 m×4.0 m的矩形巷道，兩巷道之間留20 m煤柱。建立的數(shù)值模擬模型如第90頁(yè)圖2所示，建立模型所需的物理力學(xué)參數(shù)如第90頁(yè)表1所示。

模型建立完成后，開挖主、輔回撤巷道并進(jìn)行初始支護(hù)，初始支護(hù)方案為：主回撤巷道頂板打4根型號(hào)為Φ20×2 500 mm的錨桿，兩幫各打4根型號(hào)為Φ20×1 800 mm的錨桿，間排距均為0.8 m×0.8 m；輔回撤巷道頂板和打4根型號(hào)為Φ20×2 500 mm的錨桿，兩幫各打4根型號(hào)為Φ20×1 800 mm的錨桿，間排距均為0.8 m×1.1 m。所用錨桿力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

表2 錨桿力學(xué)參數(shù)

巷道支護(hù)完成后，工作面沿走向方向從距主回撤通道80 m位置開始回采，每推進(jìn)10 m計(jì)算平衡一次，共推進(jìn)50 m，然后每推進(jìn)5 m計(jì)算平衡一次，共推進(jìn)20 m，最后每推進(jìn)1 m計(jì)算平衡一次，共推進(jìn)10 m，使工作面與主回撤巷道貫通。

2.2 模擬結(jié)果分析

在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，對(duì)主、輔回撤巷道的頂?shù)装逦灰屏窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 主、輔回撤巷道頂?shù)装逦灰屏?/p>

由圖3可以得出。隨著工作面向回撤巷道的不斷推進(jìn)，主回撤巷道的頂?shù)装逦灰屏吭絹?lái)越大，當(dāng)工作面與主回撤巷道貫通時(shí)，主回撤巷道頂?shù)装逦灰屏窟_(dá)到了600 mm，變形量較大，可利用空間較小，將會(huì)影響到設(shè)備回撤的速度甚至危及井下人員安全。由于主、輔回撤巷道之間煤柱的保護(hù)作用，隨著工作面的推進(jìn)，超前支承應(yīng)力對(duì)輔回撤巷道產(chǎn)生的影響比較小，頂?shù)装逦灰屏孔兓^小，說(shuō)明輔回撤巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

模擬過(guò)程中對(duì)主、輔回撤巷道的頂板錨桿軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 主、輔回撤巷道頂板錨桿軸力變化圖

由圖4中可以看出。隨著工作面向回撤巷道的不斷推進(jìn)，主、輔回撤巷道的頂板錨桿軸力逐漸變大，主回撤巷道的頂板錨桿軸力由最初的120 kN增加到了239 kN，軸力增加了100%，錨桿非常容易被拉斷；輔回撤巷道的頂板錨桿由最初的120 kN增加到了160 kN，軸力增加了33.3%，增加幅度較小，說(shuō)明輔回撤巷道頂板錨桿處于安全狀態(tài)。

通過(guò)對(duì)主、輔回撤巷道初始支護(hù)方案模擬得出：主回撤巷道頂?shù)装逡平亢晚敯邋^桿軸力隨著工作面推進(jìn)變化較大，巷道可用空間較小，將影響設(shè)備回撤速度及井下人員安全；輔回撤巷道頂?shù)装逡平亢晚敯邋^桿軸力變化較小，說(shuō)明輔回撤巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，主回撤巷道支護(hù)方案需要進(jìn)行優(yōu)化，而輔回撤巷道采用初始支護(hù)方案即可[5]。

根據(jù)對(duì)原支護(hù)方案的模擬結(jié)果分析，提出主回撤巷道的優(yōu)化支護(hù)方案為：在主回撤巷道頂板兩角處補(bǔ)打2根型號(hào)為Φ20 mm×2 500 mm的錨桿，間排距為4.0 m×0.8 m；在頂板補(bǔ)打2根型號(hào)為Φ21.8 mm×7 300 mm的鋼絞線錨索，間排距2 m×2 m；對(duì)主回撤通道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，支護(hù)形式為單體液壓支柱加工字鋼梁，液壓支柱額定工作阻力為350 kN，巷道內(nèi)安設(shè)2排支柱，支柱間排距為2.0 m×2.0 m，優(yōu)化后的主回撤巷道支護(hù)方案如第91頁(yè)圖5所示。

對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行模擬，監(jiān)測(cè)主回撤巷道頂?shù)装逦灰屏颗c頂板錨桿、錨索軸力，作第91頁(yè)圖6和圖7。

由圖6和圖7中可以看出。主回撤巷道采用優(yōu)化方案支護(hù)后，巷道頂?shù)装逦灰屏繌膬?yōu)化前的600 mm減小到350 mm，減小了42%；頂板錨桿軸力從優(yōu)化前的239 kN減小到160 kN，減小了33%；頂板錨索軸力由40 kN增加到58 kN，增加了45%。

圖5 優(yōu)化后主回撤巷道支護(hù)方案圖

圖6 優(yōu)化后主回撤巷道頂?shù)装逦灰屏?/p>

圖7 優(yōu)化后主回撤巷道頂板錨桿、錨索軸力變化圖

支護(hù)方案優(yōu)化后，頂?shù)装逦灰屏颗c錨桿軸力均下降，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明巷道支護(hù)方案優(yōu)化后支護(hù)效果明顯。

3 結(jié)論

1) 隨著工作面向回撤巷道的不斷推進(jìn)，主回撤巷道頂?shù)装逦灰屏吭絹?lái)越大，巷道可利用空間較小，將會(huì)影響到設(shè)備回撤的速度及井下人員安全；輔回撤巷道頂?shù)装逦灰屏孔兓^小，說(shuō)明輔回撤巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。主、輔回撤巷道的頂板錨桿軸力逐漸變大，主回撤巷道的頂板錨桿軸力增加100%，錨桿非常容易被拉斷；輔回撤巷道的頂板錨桿軸力增加33.3%，增加幅度較小，說(shuō)明輔回撤巷道頂板錨桿處于安全狀態(tài)。

2) 對(duì)主回撤巷道進(jìn)行優(yōu)化支護(hù)后，主回撤巷道頂?shù)装逦灰屏颗c錨桿軸力均下降，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明巷道支護(hù)方案優(yōu)化后支護(hù)效果明顯。