工作面運(yùn)輸平巷超前支護(hù)技術(shù)優(yōu)化研究

姜明偉 王子君 戴星航 陳忠越

(遼寧石油化工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧省撫順市，113001)

采煤工作面運(yùn)輸平巷擔(dān)負(fù)著工作面煤炭運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等重要任務(wù)，因此保證工作面運(yùn)輸平巷的支護(hù)效果對(duì)工作面安全高效開(kāi)采尤為重要，工作面運(yùn)輸平巷的穩(wěn)定性是工作面安全高效開(kāi)采的前提。隨著采煤工作面的推進(jìn)，工作面圍巖穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，在工作面前方的一定區(qū)域內(nèi)形成超前支承壓力[1-3]。工作面前方的運(yùn)輸平巷處于超前支承壓力輻射范圍內(nèi)[4]，加之上覆巖層自重應(yīng)力的影響，工作面運(yùn)輸平巷會(huì)出現(xiàn)頂板下沉量過(guò)大、片幫等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了工作面正常開(kāi)采。

在使用邁步式液壓支架之前，工作面運(yùn)輸平巷多采用錨桿、錨索、單體液壓支柱配合金屬鉸接頂梁支護(hù)方式[5]。20世紀(jì)90年代初，兗礦集團(tuán)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出了履帶式超前支架[6]；2014年，盧進(jìn)南等為解決超前支護(hù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了液壓邁步式超前支護(hù)裝備[7]。目前，巷道超前支護(hù)支架主要是液壓支架為基礎(chǔ)的四連桿機(jī)構(gòu)和移動(dòng)的單元循環(huán)式超前支架兩大類[8-9]?？紤]到邁步式超前支護(hù)液壓支架在煤礦應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，但很少有學(xué)者分析邁步式液壓支架與單體液壓支柱支護(hù)在控制巷道圍巖變形上的差異，因此本文就邁步式超前支護(hù)液壓支架與單體液壓支柱支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比分析，用巷道圍巖變形量和頂板位移速率兩個(gè)主要參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果為兩種超前支護(hù)方式選擇提供定量依據(jù)。

1 工作面運(yùn)輸平巷變形機(jī)理

工作面運(yùn)輸平巷變形主要有3種影響因素。

(1)傾斜方向應(yīng)力集中。當(dāng)運(yùn)輸平巷臨近采空區(qū)時(shí)，由于上一個(gè)工作面開(kāi)采形成采空區(qū)，下一工作面的運(yùn)輸平巷正處于上一工作面開(kāi)采形成的傾斜應(yīng)力集中范圍內(nèi)，導(dǎo)致平巷壓力增大。

(2)運(yùn)輸平巷掘進(jìn)本身影響。隨著巷道掘進(jìn)，原本穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)被破壞，應(yīng)力重新分布，在一定范圍內(nèi)巷道的應(yīng)力集中增大，巷道產(chǎn)生變形。

(3)工作面開(kāi)采的二次采動(dòng)影響。隨著工作面向前推進(jìn)，上覆基本頂出現(xiàn)離層、斷裂、整體下沉，工作面支架受力增大形成老頂初次來(lái)壓，直接頂懸露一定程度后開(kāi)始發(fā)生斷裂并垮落[10]，形成周期來(lái)壓，如圖1所示。由關(guān)鍵層理論[11-12]分析可知：支架的工作狀態(tài)對(duì)頂板支護(hù)效果有較大的影響，當(dāng)支架梁產(chǎn)生大的彎曲時(shí)，梁與頂板的接觸點(diǎn)到梁端的距離增大，此時(shí)容易發(fā)生冒頂事故。由于形成的是半拱形結(jié)構(gòu)，工作面一側(cè)的運(yùn)輸平巷正處于這一影響范圍內(nèi)，所以工作面運(yùn)輸平巷前方一定區(qū)域內(nèi)將承受很大的應(yīng)力，這時(shí)運(yùn)輸平巷承受應(yīng)力迅速增大，導(dǎo)致頂板下沉、兩幫片幫，嚴(yán)重影響工作面的正常開(kāi)采。

圖1 采動(dòng)支承壓力分布圖

2 數(shù)值模擬與模擬結(jié)果分析

2.1 工程背景

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)四通煤業(yè)有限公司北二采區(qū)205工作面主采2#煤層，煤層傾角3°～7°，平均傾角5°，埋深600 m，煤層平均厚度3.2 m，其硬度f(wàn)=2～3。直接頂為泥巖，平均厚度5 m；老頂為細(xì)砂巖，平均厚度19.2 m；直接底板為中砂巖，比較堅(jiān)硬，平均厚度4.8 m。205工作面為綜采工作面，采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法。

2.2 數(shù)值模型的建立

建立工作面運(yùn)輸平巷數(shù)值模型，X方向?yàn)?0 m，Y方向?yàn)?00 m，Z方向?yàn)?0 m，運(yùn)輸平巷寬度為4 m，高3.2 m。平巷右側(cè)留20 m保護(hù)煤柱，平巷全長(zhǎng)32 m，采空區(qū)8 m，模擬自重應(yīng)力為15 MPa,具體模擬參數(shù)如表1所示，模型采用庫(kù)倫-摩爾模型計(jì)算[13]。

表1 模型參數(shù)

巷道兩幫各打3根錨桿，頂板5根錨桿，錨桿長(zhǎng)度2 m，錨桿間距為0.8 m，頂板有1排錨索，錨索長(zhǎng)度為8 m，錨索間距0.8 m。

(1)方案一：采用單體液壓支柱支護(hù)，整條巷道放置2排單體液壓支柱，2排支柱分別距煤壁0.8 m，支柱間距為1 m，利用樁單元模擬單體液壓支柱，模擬狀況如圖2所示。

圖2 單體支柱數(shù)值模擬

(2)方案二：采用邁步式超前支護(hù)液壓支架支護(hù)，整條巷道放置3組邁步式超前支護(hù)液壓支架，前后兩組支架距離為2 m，支架一側(cè)留0.8 m行人通道，用樁單元和梁?jiǎn)卧M邁步式液壓支架的頂梁和立柱，模擬狀況如圖3所示。樁單元和梁?jiǎn)卧W(xué)參數(shù)如表2所示。

為體現(xiàn)模擬開(kāi)挖過(guò)程與實(shí)際生產(chǎn)的一致性，對(duì)工作面開(kāi)采進(jìn)行分步模擬，工作面每向前開(kāi)挖1.6 m,在模型中運(yùn)行5000步，每次開(kāi)挖后給采空區(qū)賦內(nèi)聚力較小的模型參數(shù)，共開(kāi)挖20次。

在進(jìn)行兩種支護(hù)方式模擬時(shí)，在工作面運(yùn)輸平巷距離工作面30 m處設(shè)置觀測(cè)斷面，每個(gè)觀測(cè)斷面取5個(gè)代表性的觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)具體位置如圖4所示。

圖3 邁步式支架數(shù)值模擬

表2 樁單元和梁?jiǎn)卧W(xué)參數(shù)

工作面每向前推進(jìn)1.6 m計(jì)算一次巷道位移，分別記錄工作面距觀測(cè)點(diǎn)30 m、25 m、20 m、15 m、10 m時(shí)觀測(cè)點(diǎn)位移變化情況。

圖4 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位置

2.3 巷道圍巖變形量分析

利用前述的數(shù)值模型模擬205工作面采動(dòng)對(duì)工作面運(yùn)輸平巷變形量的影響，兩種支護(hù)方式在不同位置巷道變形量如圖5所示，可以看出：

(1)兩種支護(hù)方式巷道位移曲線都呈單峰值狀態(tài)，即在巷道中間位置變形量最大，兩角點(diǎn)次之，兩幫變形量最小。由于靠近煤壁一側(cè)巷道受采動(dòng)影響較大，因此靠近煤壁一側(cè)角點(diǎn)和腰線處位移要略大于遠(yuǎn)離煤壁一側(cè)；

(2)隨著開(kāi)采位置逐漸靠近觀測(cè)點(diǎn)，巷道整體位移量也逐漸變大，在開(kāi)采到觀測(cè)點(diǎn)附近時(shí)，兩種支護(hù)方式位移量都達(dá)到峰值；

圖5 巷道圍巖形變量對(duì)比

(3)無(wú)論工作面開(kāi)采至任何位置，邁步式液壓支架的支護(hù)效果都明顯好于單體液壓支柱，不同位置最大位移差值見(jiàn)表3。從表3可以看出，使用邁步式液壓支架和單體液壓支柱開(kāi)采至不同位置最大位移量差值分別為70.4 mm、87.6 mm、111 mm、116.2 mm、197 mm，平均值為116.4 mm，因此采用邁步式液壓支架支護(hù)時(shí)的圍巖控制效果遠(yuǎn)優(yōu)于單體液壓支柱支護(hù)。

表3 不同位置最大位移差值

2.4 巷道圍巖變形速率分析

巷道的位移速率是影響巷道變形的一個(gè)重要指標(biāo)，在短時(shí)間內(nèi)形成有效的支護(hù)可以大大減少巷道變形量，使巷道保持穩(wěn)定狀態(tài)。巷道圍巖變形速率模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種支護(hù)方式下巷道位移速率對(duì)比

由圖6可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，受采動(dòng)影響條件下兩種支護(hù)方式的巷道圍巖變形速率都呈上升趨勢(shì)，但采用邁步式支架支護(hù)方式要明顯小于單體液壓支柱支護(hù)。為進(jìn)一步研究邁步式液壓支架與單體液壓支柱對(duì)巷道支護(hù)的位移速率，將位移曲線近似看成拋物線，考慮到樣本較少，可能存在偶然性，進(jìn)行多次模擬并對(duì)各點(diǎn)取平均值，以保證參數(shù)的準(zhǔn)確性，利用拋物線起點(diǎn)、中點(diǎn)、終點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，各點(diǎn)取平均值如表4所示。

表4 兩種支護(hù)方式平均位移

由表4數(shù)據(jù)計(jì)算得到單體液壓支柱支護(hù)表達(dá)式為：

Y1=0.73X2-0.4X+71.07

(1)

邁步式液壓支架支護(hù)表達(dá)式為:

Y2=0.34X2-0.44X+34.31

(2)

式(1)和式(2)二次函數(shù)的一般表達(dá)式為：

Y=AX2+BX+C

(3)

由式(3)的基本性質(zhì)可知，A決定了拋物線的開(kāi)口方向和開(kāi)口大小，根據(jù)計(jì)算公式可知A1/A2=2.15，因此使用單體液壓支柱支護(hù)巷道時(shí)的變形速率明顯高于邁步式液壓支架支護(hù)的變形速率，是邁步式液壓支架的2倍左右。邁步式液壓支架能有效控制巷道的位移變化，降低巷道圍巖的變形速率。

3 結(jié)論

(1)受工作面采動(dòng)影響，工作面運(yùn)輸平巷應(yīng)力重新分布，在距工作面30 m范圍內(nèi)，隨著開(kāi)采的不斷推進(jìn)，工作面運(yùn)輸平巷變形量逐漸增大，并且巷道中間位置變形量最大，靠近煤壁一側(cè)巷道變形量略大于遠(yuǎn)離煤壁一側(cè)的變形量。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，工作面運(yùn)輸平巷采用邁步式液壓支架進(jìn)行超前支護(hù)的支護(hù)效果明顯優(yōu)于單體液壓支柱，頂板最大位移量平均相差116.4 mm。

(3)工作面運(yùn)輸平巷采用單體液壓支柱進(jìn)行超前支護(hù)，巷道圍巖變形速率是邁步式液壓支架支護(hù)時(shí)的2倍左右，邁步式液壓支架能在短時(shí)間內(nèi)有效的控制巷道的變形，邁步式液壓支架更加適合工作面運(yùn)輸平巷的超前支護(hù)。