斜溝煤礦18505工作面支護(hù)優(yōu)化

王 睿

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033602)

沿空掘巷是指在確定工作面回采巷道位置時(shí)，沿著靠近相鄰區(qū)段工作面采空區(qū)邊界附近布置回采巷道的方法，沿空掘巷可劃分為3種形式：留設(shè)大煤柱沿空掘巷、留設(shè)小煤柱沿空掘巷和完全沿空掘巷。隨著地質(zhì)條件的變化，沿空掘巷的支護(hù)-圍巖關(guān)系也存在一定程度上的差異性，因此巷道圍巖控制時(shí)需綜合考慮各種因素的影響。近年來，礦井開采向深部煤層方向發(fā)展，此時(shí)采場(chǎng)圍巖應(yīng)力復(fù)雜程度高，且極易受到原巖應(yīng)力的影響，這些因素導(dǎo)致綜放工作面沿空掘巷布置及巷道維護(hù)難度系數(shù)增大。沿空掘巷技術(shù)面臨煤柱合理留設(shè)、圍巖應(yīng)力分布規(guī)律、巷道維護(hù)與圍巖控制等一系列亟待解決的技術(shù)難題。

以斜溝煤礦18505工作面材料巷為研究背景，通過理論分析、數(shù)值模擬計(jì)算、礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析等方法，對(duì)18505工作面材料巷圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究，以提高工作面煤炭回采率、控制支護(hù)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦18505工作面位于15采區(qū)，工作面走向長(zhǎng)度為6 442 m，傾向長(zhǎng)度為294.6 m，工作面東側(cè)為實(shí)煤區(qū)，南側(cè)為15采區(qū)上山大巷，北側(cè)247.8 m外是斜溝煤礦井田邊界，西側(cè)為18503工作面采空區(qū)。工作面開采8#煤層，煤層均厚為 3.86 m，平均傾角為9.2°，一般含1～2層泥巖夾矸，厚度不穩(wěn)定。煤層直接頂為泥巖，均厚為1.84 m，節(jié)理裂隙較為發(fā)育；基本頂為細(xì)粒砂巖，厚度為0～15.71 m，均厚7.89 m，巖層呈中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巨厚層狀；底板為泥巖和中粒砂巖。工作面采用綜采一次采全高采煤工藝，采高為3.86 m.

18505工作面材料巷沿18503工作面采空區(qū)掘進(jìn)，區(qū)段煤柱為13 m，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度5.2 m×高度3.6 m，巷道原有支護(hù)方案為錨網(wǎng)與錨索聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿間排距為 900 mm×900 mm，頂板錨索間排距為 1 800 mm×900 mm，兩幫錨桿間排距 1 000 mm×900 mm，原有支護(hù)方式見圖1. 在現(xiàn)有護(hù)巷煤柱寬度和支護(hù)方案下，巷道掘進(jìn)期間兩幫最大變形量達(dá)到510 mm，頂?shù)装遄畲笠平窟_(dá)到400 mm，且易出現(xiàn)頂板冒頂、兩幫煤壁片幫的現(xiàn)象，為保障巷道圍巖穩(wěn)定需進(jìn)行分析研究。

圖1 18505工作面材料巷原有支護(hù)方式圖

2 沿空掘巷覆巖運(yùn)動(dòng)特征

2.1 沿空掘巷上覆巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征

針對(duì)厚煤層大采高工作面沿空掘巷而言，掘進(jìn)前后及回采過程中，其上覆巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律復(fù)雜程度更高；沿空掘巷上覆巖層結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為垂直于工作面的推進(jìn)方向，且沿空掘巷留設(shè)的煤柱會(huì)受到多次采動(dòng)的影響；沿空掘巷頂板的關(guān)鍵層在煤體側(cè)上方發(fā)生斷裂形成“弧形三角塊”結(jié)構(gòu)[1-2]，模型中關(guān)鍵塊B的受力狀態(tài)對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響程度最高，見圖2.

圖2 沿空掘巷“弧形三角塊”結(jié)構(gòu)模型示意圖

隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，覆巖基本頂?shù)臄嗔褧?huì)導(dǎo)致其在側(cè)向一定范圍內(nèi)形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，主要作用是承擔(dān)覆巖載荷。隨著工作面的推進(jìn)，基本頂再次發(fā)生破斷并與周圍巖體形成鉸接結(jié)構(gòu)，即基本頂關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵塊體繼而發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，其兩端分別由煤柱和采空區(qū)矸石進(jìn)行支撐，一般處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，這在一定程度上保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2.2 沿空掘巷側(cè)向支承壓力分布特征

大采高工作面沿空掘巷時(shí)，可將沿空掘巷側(cè)向支承應(yīng)力分布劃分為4個(gè)區(qū)域，依次為：內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)破碎區(qū)、內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)塑性區(qū)、外應(yīng)力場(chǎng)彈性變形區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)[3-4]，沿空掘巷側(cè)向支承應(yīng)力分布見圖3.

圖3 沿空掘巷側(cè)向垂直應(yīng)力分布特征圖

沿空掘巷側(cè)向支承應(yīng)力分布區(qū)域特征如下：

1) 破裂區(qū)沿空掘巷鄰近采空區(qū)側(cè)煤體受劇烈采動(dòng)影響，煤體內(nèi)破壞變形嚴(yán)重，對(duì)上覆巖層的承載能力較弱，需通過相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)或者措施進(jìn)行圍巖控制。

2) 塑性區(qū)。這個(gè)區(qū)域內(nèi)的煤體基本表現(xiàn)為塑性受力狀態(tài)，由于在應(yīng)力峰值的影響范圍內(nèi)，因此煤體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)該塑性區(qū)域會(huì)隨著工作面推進(jìn)發(fā)生變化，應(yīng)力峰值范圍也會(huì)隨之發(fā)生改變。

3) 彈性變形區(qū)。處于應(yīng)力峰值與非受采動(dòng)影響之間，此時(shí)煤體呈彈性狀態(tài)，煤體對(duì)覆巖的承載作用得到加強(qiáng)，因此該區(qū)域內(nèi)巷道圍巖變形量較小，且可達(dá)到良好的支護(hù)效果。

4) 原巖應(yīng)力區(qū)。處于非受采動(dòng)影響范圍之外，屬于原巖應(yīng)力區(qū)域，隨著巷道圍巖應(yīng)力水平的增加，煤體的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。

為有效分析采空區(qū)側(cè)側(cè)向垂直應(yīng)力分布規(guī)律，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)18505工作面材料巷圍巖物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)及礦井地質(zhì)資料，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型：模型尺寸設(shè)為300 m×100 m×40 m，對(duì)模型底面進(jìn)行固定，并限制其側(cè)面在水平方向的運(yùn)動(dòng)，模型頂面所承受載荷可通過估算法計(jì)算得到，即 Z 軸方向施加工作面覆巖載荷7.5 MPa，X軸南北方向上的應(yīng)力分量為13 MPa，采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，水平側(cè)壓系數(shù)取1，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 巷道圍巖各巖層巖石力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出，在18503工作面回采完成后，下區(qū)段實(shí)體煤內(nèi)部的垂直應(yīng)力云圖及應(yīng)力分布曲線見圖4.

圖4 上區(qū)段工作面回采后垂直應(yīng)力云圖及煤體應(yīng)力分布曲線圖

由圖4得出：破裂區(qū)在距離煤壁0～2 m；塑性區(qū)為2～12 m；彈性區(qū)為距離煤壁12～47 m，其中在距離煤壁12 m的位置處，側(cè)向支承壓力達(dá)到最大值，約為26.11 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為3.7；原巖應(yīng)力區(qū)在距離煤壁47 m以外的范圍。

基于上述分析可知，18505工作面材料巷沿空掘巷時(shí)留設(shè)13 m的煤柱，巷道布置在彈性區(qū)范圍內(nèi)，該區(qū)域煤體相對(duì)完整，巷道位置選擇合理，但巷道圍巖在現(xiàn)有護(hù)巷煤柱寬度下變形量較大，這表明原有巷道的支護(hù)方案存在不合理，需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 圍巖支護(hù)優(yōu)化分析

3.1 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1) 主要支護(hù)參數(shù)計(jì)算。

a) 錨桿長(zhǎng)度。頂板錨桿長(zhǎng)度L按照懸吊理論進(jìn)行計(jì)算：

L=L1+L2+L3

(1)

式中：

L1—錨桿外露長(zhǎng)度，m，一般取 0.15；

L2—錨桿有效長(zhǎng)度，m；

L3—錨桿錨固長(zhǎng)度，m，一般取 0.4.

L2長(zhǎng)度可由自然平衡拱理論計(jì)算得到：

(2)

式中：

K—安全系數(shù)，取2；

B—巷道寬度，m，取 5.2；

f—巖石堅(jiān)固性系數(shù)，取3.

將各參數(shù)值代入公式計(jì)算得到頂板錨桿長(zhǎng)度L=2.29 m. 原有支護(hù)設(shè)計(jì)中，沿空掘巷頂錨桿長(zhǎng)度為2 200 mm；考慮到巷道沿頂板掘進(jìn)，為有效避開直接頂與基本頂之間的交界面，故將頂板錨桿長(zhǎng)度優(yōu)化為2.5 m.

b) 錨索長(zhǎng)度。對(duì)于沿空掘巷頂板支護(hù)而言，錨索可以使頂板各巖層整體的強(qiáng)度得到提升。錨索長(zhǎng)度由以下公式計(jì)算得到：

L=Lm+Lx+Lt+Lw

(3)

式中：

Lm—錨固長(zhǎng)度，m；

Lx—懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，m，取1.84；

Lt—托盤及錨具的厚度，m，取0.1；

Lw—外露長(zhǎng)度，m，一般為0.25.

錨索錨固長(zhǎng)度Lm按以下公式計(jì)算：

(4)

式中：

K—安全系數(shù)，取4；

d—錨索鋼絞線的直徑，mm，取17.8；

ft—鋼絞線抗拉強(qiáng)度，N/mm2，取1 890；

fn—錨固劑與錨索的黏和強(qiáng)度，N/mm2，取8.

將各參數(shù)代入公式計(jì)算得到材料巷錨索合理長(zhǎng)度L=6.4 m. 原有支護(hù)中頂板錨索長(zhǎng)度為 6 300 mm，無法充分保障巷道頂板的穩(wěn)定，結(jié)合基本頂巖層的具體分布特征，為保障錨索錨固到穩(wěn)定巖體內(nèi)，最終確定將錨索長(zhǎng)度增加為 8 250 mm.

2) 支護(hù)參數(shù)模擬分析。

由于材料巷在原有支護(hù)參數(shù)下圍巖變形量較大，對(duì)原有支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，在上述數(shù)值模擬模型基礎(chǔ)上，對(duì)18505材料巷的開挖與支護(hù)進(jìn)行模擬分析，該次數(shù)值模擬主要設(shè)置幫錨桿和頂錨索的間排距模擬方案，具體模擬方案見表2.

表2 數(shù)值模擬計(jì)算方案表

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出相應(yīng)支護(hù)優(yōu)化方案下的巷道圍巖變形規(guī)律、錨桿(索)的受力情況，結(jié)合4種方案進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線對(duì)比，具體分析如下：

a) 幫錨桿間排距。分析支護(hù)優(yōu)化方案1、2中兩幫錨桿不同間排距支護(hù)的模擬計(jì)算結(jié)果，重點(diǎn)對(duì)幫錨桿間排距與巷道圍巖變形之間的相互影響關(guān)系進(jìn)行分析，見圖5.

圖5 不同幫錨桿間排距下圍巖變形量曲線圖

由圖5a)可知：隨著錨桿間距由850 mm增加至950 mm，底板及兩幫圍巖變形量呈緩慢減小的趨勢(shì)，而巷道頂板及兩幫錨桿受力變化不太明顯；兩幫錨桿間距為900 mm和950 mm時(shí)巷道圍巖變形量較小，確定兩幫錨桿間距900 mm.

由圖5b)可知：錨桿排距由900 mm擴(kuò)大到1 000 mm時(shí)，巷道頂板下沉量由120 mm增加至230 mm，約增加了一倍；錨桿排距為900 mm和1 000 mm時(shí)，錨桿受力變化幅度較小，認(rèn)為錨桿排距為1 000 mm可以滿足支護(hù)效果。

b) 錨索間排距。

通過分析支護(hù)優(yōu)化方案 3 、4的模擬計(jì)算結(jié)果，研究頂板錨索間排距與巷道圍巖變形之間的相互影響關(guān)系，見圖6.

圖6 不同錨索間排距下圍巖變形量曲線圖

由圖6a)可知：在特厚煤層綜放工作面沿空掘巷支護(hù)過程中，如果錨索不能將錨固巖層懸吊在穩(wěn)定巖層中，極易造成冒落片幫等事故；根據(jù)模擬結(jié)果可知，材料巷頂板錨索間距選取為1 800 mm時(shí)，材料巷頂板錨索支護(hù)效果良好。由圖6b)可知頂錨索排距為 1 350～1 800 mm時(shí)，巷道圍巖變形量及錨索受力變化趨勢(shì)平緩，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，確定頂錨索排距選用1 500 mm.

頂板支護(hù)。選用d20 mm×2 500 mm 的左旋螺紋鋼高強(qiáng)度錨桿，采用加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度1 350 mm，錨桿預(yù)緊扭矩大于300 N·m，間排距為900 mm×1 000 mm.選用d17.8 mm×8 250 mm高強(qiáng)錨索，采用三二三布置，間排距1 350 mm×2 000 mm，錨索預(yù)緊力為150 kN.

兩幫支護(hù)。選用d20 mm×2 500 mm螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1 000 mm，錨固長(zhǎng)度1 560 mm，錨桿預(yù)緊扭矩大于250 N·m. 采用d14 mm鋼筋梁將幫錨桿及肩窩處頂錨桿縱向銜接。

附件包括鋼筋梯子梁、金屬網(wǎng)、托盤等。其中鋼筋梯子梁采用d14 mm的圓鋼焊制。優(yōu)化后巷道支護(hù)方案見圖7.

3.2 效果分析

為分析18505工作面材料巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后圍巖控制效果，在工作面回采期間，進(jìn)行巷道表面位移量的分析，巷道表面位移曲線見圖8.

通過分析圖8可知，在18505工作面回采期間，測(cè)站的頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為169 mm和202 mm. 當(dāng)測(cè)點(diǎn)與回采工作面間的距離大于30 m時(shí)，巷道頂?shù)装寮皟蓭突咎幱诜€(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装寮皟蓭偷淖畲笞冃嗡俾史謩e為23 mm/d和17 mm/d，當(dāng)巷道監(jiān)測(cè)斷面與回采工作面間的距離小于30 m時(shí)，頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃嗡俾试龃螅數(shù)装寮皟蓭妥畲笞冃嗡俾史謩e為58 mm/d和41 mm/d. 基于上述分析可知，巷道在采用優(yōu)化支護(hù)方案后圍巖變形量得到有效控制。

圖8 18505工作面回采期間巷道表面位移曲線圖

4 結(jié) 論

根據(jù)18505工作面的具體地質(zhì)條件，結(jié)合材料巷在原有支護(hù)方案下的圍巖變形特征，通過分析沿空掘巷覆巖運(yùn)動(dòng)特征，得出沿空掘巷的基本頂弧形三角塊和側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律，并對(duì)支護(hù)優(yōu)化方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，采用優(yōu)化支護(hù)方案后，工作面回采期間，頂?shù)装寮皟蓭偷淖畲笞冃瘟糠謩e為169 mm和202 mm，保障了圍巖的穩(wěn)定。