高抗封閉框型支架在底臌防治中的應(yīng)用

杜艷軍

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)蒲縣萬家莊煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

隨著采深增加，地應(yīng)力隨之增加，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道支護(hù)難度大。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)大埋深巷道支護(hù)進(jìn)行了大量研究，但對(duì)大埋深軟弱圍巖下回采巷道底臌防治新支護(hù)新工藝研究不夠多，已有的支護(hù)工藝不能完全滿足要求。萬家莊煤礦2201 工作面回采期間，底臌嚴(yán)重，最大可達(dá)800mm，嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)，同時(shí)由于斷面減小造成通風(fēng)不暢帶來安全隱患。本文針對(duì)大埋深軟巖巷道底臌防治難點(diǎn)，探討合理支護(hù)工藝，為類似地質(zhì)條件下巷道支護(hù)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

萬家莊煤礦主采的二1 煤層埋深超過600m，煤層厚度6.0m 左右，傾角平均8°，采用綜合機(jī)械化開采。二1 煤偽頂為泥巖，厚度0.3 ～0.5m；直接頂為砂巖、砂質(zhì)泥巖以及泥巖，厚度5m 左右，通過實(shí)驗(yàn)室可知直接頂質(zhì)量指標(biāo)指數(shù)RQD 為砂巖41.9%～90.0%，砂質(zhì)泥巖、泥巖類31.6%～74.9%，比重值為2.66～2.76，直接頂可認(rèn)為半堅(jiān)硬巖類巖石；老頂為粗、中、細(xì)粒砂巖，厚度為8～12m，巖石的抗壓強(qiáng)度為16.4～79.9MPa；底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，堅(jiān)固性系數(shù)較小，屬于軟弱巖層。

2 巷道底臌的影響因素

（1）開采深度的影響

由于2201 工作面埋深超600m，屬于大埋深，根據(jù)礦山壓力與巖層控制基本知識(shí)可知埋深600m處的原巖應(yīng)力在15MPa 左右。如果在回采期間回采巷道受到應(yīng)力集中，底板應(yīng)力集中可能達(dá)到58～73MPa，而工作面回采巷道底板強(qiáng)度在29.3MPa左右，可見應(yīng)力集中時(shí)明顯大于底板強(qiáng)度而引起底臌的現(xiàn)象。

（2）水對(duì)底臌的影響

水對(duì)泥巖影響較大，泥巖在吸水后強(qiáng)度大大降低。2201 工作面回采巷道掘進(jìn)時(shí)，頂板就會(huì)出現(xiàn)淋水現(xiàn)象，回采期間頂板淋水現(xiàn)象依然存在，且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，在3 天以上。頂板淋水且底板積水不能及時(shí)排走，泥巖、砂質(zhì)泥巖的底板遇到水強(qiáng)度勢(shì)必大大降低，是底板發(fā)生底臌現(xiàn)象重要影響因素之一。

（3）地質(zhì)構(gòu)造情況

從萬家莊煤礦地質(zhì)構(gòu)造來看，2201 工作面有斷層11 條之多，局部還存在褶曲的地質(zhì)構(gòu)造。由于地質(zhì)構(gòu)造的存在就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，進(jìn)而可能加劇巷道底臌的發(fā)生。

3 大埋深軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

萬家莊煤礦在之前巷道支護(hù)中嘗試傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)、錨注支護(hù)以及工鋼支護(hù)，效果不佳，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果及本礦的實(shí)際地質(zhì)條件，提出錨網(wǎng)索+高抗框型支架治理底臌技術(shù)。該技術(shù)的構(gòu)思是根據(jù)礦上特殊地質(zhì)條件，即圍巖應(yīng)力復(fù)雜且強(qiáng)度較低，結(jié)合現(xiàn)有支護(hù)研究理論，錨網(wǎng)索加整體支架更為適合。其中高抗框型支架是由頂梁、底梁和兩側(cè)梁組成，每部分均由螺紋對(duì)接。支架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 支架裝配圖

利用FLAC 數(shù)值模擬軟件模擬在巷道掘進(jìn)和回采期間，采用錨網(wǎng)索+高抗框型支架支護(hù)圍巖塑性區(qū)和應(yīng)力分布情況。構(gòu)建的模型模擬布置了相應(yīng)的煤層、頂?shù)装?，模型尺寸寬×高×厚分別為50m×400m×70m，開挖情況根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行。

圖2 部分動(dòng)壓影響下巷道圍巖塑性破壞圖

圖3 部分動(dòng)壓影響下巷道圍巖應(yīng)力分布圖

從塑性區(qū)模擬的結(jié)果可以看出（圖2），在巷道掘進(jìn)過程中，高抗封閉框型支架和錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的巷道圍巖也出現(xiàn)了不同程度的塑性破壞。頂板和底板塑性破壞最大范圍分別為0.8m、1m，兩幫塑性區(qū)最大破壞范圍為0.9m；在動(dòng)壓下頂板和底板塑性破壞最大范圍分別為0.8m、1.2m，兩幫塑性區(qū)最大破壞范圍為0.7m。從應(yīng)力分布模擬結(jié)果不難看出（圖3），巷道掘進(jìn)時(shí)高抗封閉框型支架和錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的巷道頂最大應(yīng)力值為27MPa，位置在距頂板1.5m 處，底板最大應(yīng)力值26MPa，位置在距底板1.5m 處；動(dòng)壓下巷道頂最大應(yīng)力值為28MPa，位置在距頂板1.6m 處，底板最大應(yīng)力值28MPa，位置在距底板1.3m 處。采用錨網(wǎng)索和高抗封閉框型支架聯(lián)合支護(hù)巷道圍巖塑性區(qū)范圍在可控的范圍內(nèi)，應(yīng)力最大值位置距巷道壁較近，距離較近則說明圍巖承受壓力的作用大，較為充分利用了圍巖本身承載能力，使“支架-圍巖”相互作用關(guān)系發(fā)揮較好。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

通過理論分析和數(shù)值模擬，可知在該礦地質(zhì)條件下使用高抗封閉框型支架和錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)理論是可行的。在2201 工作面區(qū)段運(yùn)輸順槽600m 范圍進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，利用“十”字交叉法設(shè)置三個(gè)觀測(cè)站對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)巷道圍巖的頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量進(jìn)行60d 的觀測(cè)，部分觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖4 所示。從觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，頂?shù)装遄畲笠平繛?0mm，在0～30d 時(shí)間內(nèi)，變形速率大，30～60d 巷道變形速率小，且趨于平緩；兩幫最大移近量82mm，在0～34d 兩幫移動(dòng)活躍，變形速率較大，34～60d 后兩幫移動(dòng)速率小，變形緩慢且趨于平緩?？傊?，高抗封閉框型支架和錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量變形被控制在一定范圍，也說明了支護(hù)和圍巖能夠充分發(fā)揮相互作用關(guān)系，使得支護(hù)系統(tǒng)效果良好。

圖4 部分巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量

5 結(jié) 論

（1）分析了引起回采巷道底臌的影響因素，即頂?shù)装鍘r性與開采深度、頂板水以及地質(zhì)構(gòu)造情況。

（2）提出高抗框型支架和錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)治理底臌技術(shù)，并對(duì)掘進(jìn)期間和回采期間進(jìn)行數(shù)值模擬，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近，頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為40mm 和82mm，巷道圍巖變形被控制在一定范圍。