厚煤層綜放工作面煤巷圍巖穩(wěn)定性分類及支護(hù)優(yōu)化研究

侯廣志, 郝兵元

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.山西潞安礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 蒲縣黑龍關(guān)煤業(yè)有限公司,山西 蒲縣 041200)

煤巷圍巖穩(wěn)定性分類是對煤巷圍巖穩(wěn)定性和質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的一種簡單有效的方法,煤巷圍巖穩(wěn)定性分類后能夠?qū)ο锏赖木蜻M(jìn)和支護(hù)提供有效的指導(dǎo)。國內(nèi)外眾多學(xué)者對煤巷圍巖穩(wěn)定性的分類進(jìn)行了研究,目前主要的分類標(biāo)準(zhǔn)為單指標(biāo)分類法、復(fù)合指標(biāo)分類法和多指標(biāo)綜合分類法。單指標(biāo)分類法主要包括普式分類法、巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)分類法。復(fù)合指標(biāo)分類法指用一個(gè)受眾多因素影響的指標(biāo)作為圍巖分類的依據(jù),如德國學(xué)者于 1980 年提出將巷道圍巖移近量作為反映巷道圍巖穩(wěn)定性的綜合指標(biāo),而影響巷道圍巖移近量的因素有巷道埋深、巷道底板巖層強(qiáng)度、煤層厚度、巷旁充填指數(shù)[1-2]。多指標(biāo)綜合法是指綜合考慮影響巷道圍巖穩(wěn)定的所有重要因素,進(jìn)而得出圍巖穩(wěn)定性的分類,該類圍巖穩(wěn)定性分類方法主要運(yùn)用到模糊數(shù)學(xué)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論及灰色理論等,使得煤巷圍巖穩(wěn)定性分類的精度及適用性得到了顯著提高[3]。

本文針對11602工作面運(yùn)輸巷在原有支護(hù)方案下圍巖變形量大的問題,特采用多指標(biāo)綜合分類法進(jìn)行巷道圍巖穩(wěn)定性分類,具體對頂板各巖層質(zhì)量級(jí)別進(jìn)行劃分,綜合對巷道圍巖等級(jí)進(jìn)行分類,基于圍巖穩(wěn)定性分類結(jié)果進(jìn)行巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化分析。

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)黑龍關(guān)煤業(yè)11602綜放工作面位于11#煤層六盤區(qū),工作面平均埋深214 m,走向長度1 588 m,傾斜長度為200 m。11#煤層厚度為6.76 m～7.95 m,均厚7.45 m,平均傾角為12°,含2～4層夾矸層。11602工作面區(qū)域煤層直接頂為均厚3.55 m灰?guī)r和2.65 m砂質(zhì)泥巖,基本頂為K2石灰?guī)r,均厚7.60 m,基本底為泥巖,均厚5.0 m。

11602工作面采用綜合機(jī)械化開采放頂煤采煤工藝,采放比為1:1.48,利用支架尾梁擺動(dòng)低位放煤方式,放煤步距0.8 m。工作面北部為實(shí)體煤,南部為11601工作面,西部與井田邊界相鄰,東部與六盤區(qū)大巷相接,11602工作面的具體位置如圖1所示。

圖1 11602綜放工作面位置示意圖Fig.1 No.11602 fully-mechanized working face location

11602運(yùn)輸順槽原有支護(hù)方案采用錨網(wǎng)索支護(hù),巷道在原有支護(hù)方案下掘進(jìn)期間圍巖變形量較大,頂板的最大下沉量達(dá)到400 mm,給后續(xù)工作面回采期間巷道圍巖的控制帶來較大的難題,嚴(yán)重影響回采巷道的使用,故急需對原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

2 巷道圍巖分類

2.1 圍巖力學(xué)測試

為有效確定分析11#煤層及頂、底板巖層的巖性、賦存狀況及其物理力學(xué)特性,采用鉆孔取芯法進(jìn)行頂?shù)装鍘r層的取芯作業(yè)。設(shè)置兩個(gè)鉆孔取芯點(diǎn),鉆孔直徑為50 mm。1號(hào)鉆孔取芯點(diǎn)位于11602運(yùn)輸順槽車場與六盤區(qū)軌道巷交叉口,頂板取芯13 m,底板取芯8 m;2號(hào)鉆孔取芯點(diǎn)位于11602運(yùn)輸順槽車場中部,頂板取芯12 m,底板取芯8 m。根據(jù)鉆孔取芯結(jié)果得出11602工作面取芯范圍內(nèi)頂?shù)装鍘r層實(shí)際柱狀圖，見圖2。通過取出的巖芯進(jìn)行巖石RQD值、抗壓、抗拉強(qiáng)度的測試作業(yè)。

圖2 11602工作面頂?shù)装鍘r層柱狀圖Fig.2 Stratum histogram of roof-to-floor in 11602 working face

2.1.1頂?shù)装鍘r層RQD值

巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)是采用直徑為75 mm的鉆頭進(jìn)行連續(xù)取芯作業(yè),統(tǒng)計(jì)分析一回次鉆進(jìn)所取巖芯中,長度大于10 cm的巖芯段長度之和與該回次進(jìn)尺的比值。計(jì)算公式如下:

(1)

式中:Lt為某巖組鉆探總進(jìn)尺,m;LP為某巖組大于10 cm完整巖芯的長度之和,m。

根據(jù)取芯現(xiàn)場記錄的數(shù)據(jù),通過分析計(jì)算得出頂?shù)装鍘r層RQD值原始記錄,如表1所示。

表1 11#煤層各層位的RQD值數(shù)據(jù)表Table 1 RQD values in No.11 coal seam

2.1.2頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

頂?shù)装甯鲙r層巖石的抗壓強(qiáng)度Rc采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測定,巖石的抗拉強(qiáng)度Rt采用巴西劈裂法測定,巖石抗拉、抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：

(2)

式中:P為試件破環(huán)載荷,N;F為試件初始截面積,cm2;L為試件厚度,mm;D為試件直徑,mm。

通過整理分析單軸抗壓試驗(yàn)的數(shù)據(jù),畫出各試件的應(yīng)力—應(yīng)變曲線,并通過數(shù)據(jù)分析軟件將彈性階段擬合成直線,這條直線的斜率即是彈性模量E,頂板K2灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖的擬合曲線如圖3所示。

3-a 頂板K2灰?guī)r

3-b 頂板砂質(zhì)泥巖圖3 11#煤層頂板巖層應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of roof in No.11 coal seam

巖石抗剪強(qiáng)度測試時(shí)其計(jì)算公式如下:

τ=C+σ·tanφ.

(3)

式中:P為試件剪斷破環(huán)載荷,kN;φ為巖石的內(nèi)摩擦角,°;F為試件剪切面面積,cm2;C為巖石試件的內(nèi)聚力,MPa;α為試件與水平面的夾角,°。

根據(jù)巖石力學(xué)的測試結(jié)果能夠分別計(jì)算得出11#煤層頂?shù)装甯鲙r層的抗拉、抗壓強(qiáng)度、粘聚力、泊松比、內(nèi)摩擦角結(jié)果如表2所示。

表2 11#煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)表Table 2 Physical-mechanical parameters of roof-to-floor strata of No.11 coal seam

2.2 11602工作面巷道圍巖分類

在采用工程類比法進(jìn)行巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)時(shí),針對具體巷道的圍巖條件進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性的分類是保障支護(hù)方案合理必要前提;巷道圍巖的穩(wěn)定性主要由巖石的堅(jiān)硬程度和完整程度決定。

根據(jù)國內(nèi)外眾多學(xué)者的理論研究和工程實(shí)踐結(jié)果[4-5],制定出巖石堅(jiān)硬程度與單軸抗壓強(qiáng)度Rc的對應(yīng)表,如表3所示;巖石的完整程度與完整性指數(shù)Kv的對應(yīng)表,如表4所示；進(jìn)行巖體基本質(zhì)量分級(jí)時(shí),可通過巖體基本質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和基本質(zhì)量指標(biāo)綜合確定,如表5所示。

表3 Rc與巖石堅(jiān)硬程度的對應(yīng)關(guān)系Table 3 Relationship between Rc and hardness degree of rock

表4 Kv與巖體完整程度對應(yīng)關(guān)系Table 4 Relationship between Kv and completeness degree of rock

表5 巖體基本質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Grading standards of basic quality of rock

巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ的計(jì)算公式如下:

BQ=100+3Rc+250Kv.

(4)

根據(jù)11#煤層圍巖力學(xué)測試得出的結(jié)果知,11602工作面直接頂3.6 m的K2石灰?guī)rRc=97.1 MPa,均厚3.1 m的砂質(zhì)泥巖Rc=52.9 MPa,基本頂均厚7.60 m的K2石灰?guī)rRc=116.6 MPa。

根據(jù)11602工作面頂?shù)装鍘r層取芯窺視結(jié)果知:

1)直接頂K2石灰?guī)r結(jié)構(gòu)面發(fā)育組數(shù)為1～2組,平均間距處于0.4 m～1.0 m之間,結(jié)構(gòu)面類型主要為層面、節(jié)理和裂隙,結(jié)合程度一般,呈現(xiàn)塊狀結(jié)構(gòu),基于此可知巖體較完整,取Kv=0.55～0.75。

2)直接頂砂質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育組數(shù)為大于3組,平均間距處于0.2 m～0.4 m之間,主要結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度一般,主要的結(jié)構(gòu)面類型為節(jié)理、裂隙、劈理、層面、小斷層,呈薄層狀結(jié)構(gòu),基于此可知直接頂砂質(zhì)泥巖的完整程度為較破碎,取Kv=0.35～0.55。

3)基本頂K2石灰?guī)r結(jié)構(gòu)面發(fā)育組數(shù)為2～3組,平均間距處于0.4 m～1.0 m之間,結(jié)構(gòu)面類型主要為裂隙、節(jié)理、層面和小斷層,結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度較差,呈中厚層狀結(jié)構(gòu),據(jù)此可知巖體較破碎,取Kv=0.35～0.55。

將各巖層的單軸抗壓強(qiáng)度Rc和巖體完整性系數(shù)Kv代入式(4)中能夠計(jì)算出直接頂K2灰?guī)r的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ=528.8～578.8,結(jié)合巖層的具體特征確定屬于Ⅱ級(jí);直接頂砂質(zhì)泥巖的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ=346.2～396.2,屬于Ⅲ級(jí);基本頂K2灰?guī)r的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ=537.3～587.3,結(jié)合巖層的具體特征確定屬于Ⅱ級(jí)。

11602工作面運(yùn)輸順槽沿煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè),頂板直接頂質(zhì)量級(jí)別為Ⅱ—Ⅲ級(jí),基本頂質(zhì)量級(jí)別為Ⅱ級(jí),但11#煤相對較為堅(jiān)硬,完整性較差,含有2～4層夾矸層,根據(jù)圍巖穩(wěn)定性分類方案[6],當(dāng)巷道埋深為200 m～300 m且為厚煤層時(shí),黑龍關(guān)煤業(yè)11#煤層11602工作面順槽圍巖屬于Ⅳ類不穩(wěn)定圍巖。

3 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 回采巷道原有支護(hù)設(shè)計(jì)

11602綜放工作面運(yùn)輸順槽原有支護(hù)方案均采用錨網(wǎng)索進(jìn)行支護(hù),頂板錨桿規(guī)格:采用Φ20 mm×2 400 mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿。錨固方式:每孔采用兩支錨固劑,1支MSK2335藥卷,1支MSZ2360藥卷;錨桿錨預(yù)緊力300 N·m,非采幫錨桿Φ20 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿,采幫錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿,頂板及兩幫錨桿間排距均為900 mm×1 000 mm。

頂板錨索型號(hào)為Φ17.8×7 300 mm的1×7股鋼絞線,設(shè)置錨索的預(yù)緊力為200 kN,每個(gè)斷面上打設(shè)一根錨索,排距3 000 mm,每孔錨索錨固劑采用3支,其中MSZ2360型藥卷2支, MSK2335型藥卷1支,鋪設(shè)10#鐵絲經(jīng)緯網(wǎng),搭接長度為100 mm,錨桿索間通過鋼筋梯子梁進(jìn)行連接,具體11602綜放工作面運(yùn)輸順槽原有支護(hù)斷面圖如圖4所示。

圖4 11602工作面運(yùn)輸順槽原有支護(hù)斷面圖Fig.4 Cross-section diagram of the original support in transportation gateway in 11602 working face

3.2 基于圍巖穩(wěn)定性分類的巷道錨桿支護(hù)優(yōu)化

根據(jù)上述巷道圍巖穩(wěn)定性分類結(jié)果可知11602工作面運(yùn)輸順槽圍巖穩(wěn)定性屬于Ⅳ類不穩(wěn)定圍巖,《我國緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案》中關(guān)于Ⅳ類圍巖推薦的巷道頂板錨桿基本支護(hù)形式如表6所示。

表6 巷道頂板錨桿基本支護(hù)形式與主要參數(shù)選擇Table 6 Basic support and major parameters for roof anchor

基于上述頂板錨桿參數(shù)選擇原則[6]及巷道圍巖在原有支護(hù)方案下頂板變形量大的主要問題,提出支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化措施為頂板增設(shè)錨索,優(yōu)化后頂板錨索型號(hào)同樣為Φ17.8 mm×7 300 mm的1×7股鋼絞線,按照排距3 000 mm、“一二零”方式布置,其中一根錨索時(shí)布置在巷幫頂板中間位置;兩根錨索時(shí)間距2 700 mm。優(yōu)化后支護(hù)斷面圖、俯視圖如圖5-a、5-b所示。

5-a 斷面圖

5-b 俯視圖圖5 運(yùn)輸順槽支護(hù)優(yōu)化后布置示意圖Fig.5 Layout of transportation gateway after support optimization

3.3 效果分析

為驗(yàn)證11602運(yùn)輸順槽支護(hù)方案優(yōu)化后對圍巖的控制效果,在巷道掘進(jìn)期間,采用十字布點(diǎn)法對巷道表面位移進(jìn)行持續(xù)70 d的監(jiān)測作業(yè),根據(jù)監(jiān)測結(jié)果能夠繪制出巷道表面位移—觀測天數(shù)的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 支護(hù)方案優(yōu)化后巷道掘進(jìn)期間表面位移曲線圖Fig.6 Surface displacement curves in roadway excavation after support design optimization

通過具體分析圖6可知,優(yōu)化后的支護(hù)方案實(shí)施后,運(yùn)輸順槽在掘進(jìn)期間圍巖的變形量主要集中在巷道掘出后的0～20 d,在該階段頂?shù)装逡平康钠骄冃嗡俾蕿?.6 mm/d,兩幫移近量的平均變形速率為4.95 mm/d;在巷道掘進(jìn)后20 d左右,圍巖的變形速率大幅減小;在巷道掘進(jìn)后約40 d時(shí),巷道圍巖的變形量基本不在變化,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),即表明此時(shí)巷道圍巖已經(jīng)穩(wěn)定,最終頂?shù)装遄冃瘟孔畲笾禐?50 mm,兩幫的移近量最大值為130 mm,基于上述分析可知優(yōu)化后支護(hù)方案保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)通過11602工作面頂?shù)装邈@孔取芯窺視得出,工作面直接頂為均厚3.6 m的K2石灰?guī)r和均厚3.1 m的砂質(zhì)泥巖,基本頂為均厚7.6 m的K2石灰?guī)r,直接底為均厚5 m的泥巖。

2)通過展開11602工作面圍巖力學(xué)測試,得出頂?shù)装甯鲙r層的物理力學(xué)參數(shù),確定直接頂K2灰?guī)r質(zhì)量級(jí)別為Ⅱ級(jí);直接頂砂質(zhì)泥巖質(zhì)量級(jí)別為Ⅲ級(jí);基本頂K2灰?guī)r質(zhì)量級(jí)別為Ⅱ級(jí),綜合確定運(yùn)輸順槽的圍巖穩(wěn)定性為Ⅳ類不穩(wěn)定圍巖。

3)根據(jù)11602工作面運(yùn)輸順槽圍巖穩(wěn)定性分類結(jié)果及巷道在原有支護(hù)方案下圍巖的變形特征,提出頂板增設(shè)錨索的支護(hù)優(yōu)化方案,支護(hù)方案優(yōu)化實(shí)施后,根據(jù)巷道表面位移觀測,驗(yàn)證了優(yōu)化后支護(hù)方案的合理性。