采區(qū)巷道群支護(hù)技術(shù)研究

馬東正

（西山煤電古交煤焦公司， 山西 古交 030200）

引言

馬蘭礦南五下組煤采區(qū)設(shè)計8 號煤及9 號煤聯(lián)合布置，分層開采，采區(qū)不施工石門及采區(qū)煤倉。通過延伸南一下組煤采區(qū)準(zhǔn)備巷道解決采區(qū)運(yùn)煤、運(yùn)料及通風(fēng)系統(tǒng)；9 號煤布置輔助運(yùn)輸巷及集中皮帶巷兩條準(zhǔn)備巷道，回風(fēng)復(fù)用8 號煤準(zhǔn)備巷道。采區(qū)采用無軌膠輪車輔助運(yùn)輸。

南五下組煤采區(qū)沿8 號煤層布置輔助運(yùn)輸巷、集中皮帶巷和兩條集中回風(fēng)巷，多巷并進(jìn)。輔助運(yùn)輸巷全長1 573 m，設(shè)計巷道寬5.7 m，高4.2 m，輔助運(yùn)輸巷實為沿南一下組煤軌道下山延伸，與集中皮帶巷間留凈煤柱20 m，集中皮帶巷和集中回風(fēng)巷間留凈煤柱19.5 m，兩條集中回風(fēng)巷間凈煤柱寬度21.5 m。先掘進(jìn)集中皮帶巷，隨后延伸輔助運(yùn)輸巷，最后掘進(jìn)兩條集中回風(fēng)巷，屬于典型的巷道群掘進(jìn)。四條采準(zhǔn)巷道掘進(jìn)屬于多巷道群開挖，巷道間相互作用影響較大，為此需要新型支護(hù)方式滿足巷道支護(hù)要求。

1 頂板圍巖結(jié)構(gòu)窺視

為給南五下組煤采區(qū)巷道支護(hù)設(shè)計提供基礎(chǔ)參數(shù)，在8 號煤輔助運(yùn)輸巷布置了地質(zhì)力學(xué)測試站，測點(diǎn)頂板鉆孔深度22 m，首先利用鉆孔窺視儀觀察頂板圍巖的結(jié)構(gòu)，掌握頂板巖層的結(jié)構(gòu)面特征，為確定錨桿錨索預(yù)應(yīng)力水平提供依據(jù)[1]。從鉆孔孔口位置連續(xù)拍攝了頂板巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)，如圖1 所示。鉆孔窺視圖片很清晰地呈現(xiàn)出頂板巖層巖性組成，以及巖層結(jié)構(gòu)面的發(fā)育狀況，仔細(xì)分析可得出以下結(jié)論：

頂板10 m 范圍巖層主要由灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖及石灰?guī)r組成，不同巖性巖層厚度分布不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)發(fā)育差別很大，灰?guī)r層結(jié)構(gòu)致密，幾乎沒有裂隙，也不存在層理、節(jié)理等弱結(jié)構(gòu)面，對于施工錨桿錨索非常有利；頂板錨桿錨索控制范圍巖層結(jié)構(gòu)完整，易引起頂板離層的水平層理分布少，錨桿錨索施加適中的預(yù)應(yīng)力就能夠保持巖層的穩(wěn)定。

圖1 巷道頂板鉆孔窺視結(jié)果

2 巷道群開挖應(yīng)力分布特征分析

為了分析輔運(yùn)巷以及相鄰巷道掘進(jìn)過程中支承壓力分布特征，采用FLAC3D 數(shù)值軟件進(jìn)行了巷道群應(yīng)力特征分析[2]。

2.1 數(shù)值模型建立

采用大型FLAC3D 數(shù)值軟件進(jìn)行模擬，根據(jù)實際地質(zhì)條件建立模型，尺寸為120000×50000×35500 mm，劃分為216 000 節(jié)單元和231 842 個節(jié)點(diǎn)，如下頁圖2 所示。在建模過程中嚴(yán)格按照地質(zhì)剖面圖的尺寸，坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，XOY 平面取為水平面，Z 軸取鉛直方向，并且規(guī)定向上為正，整個坐標(biāo)系符合右手螺旋法則。三維模型的邊界條件取為：上部為自由邊界，四周和底部采用鉸支。

2.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.2.1 集中皮帶巷掘進(jìn)

模擬按照四條采準(zhǔn)巷道分布開挖順序，先掘進(jìn)皮帶巷，巷道開挖后，下頁圖3 給出巷道兩側(cè)支承壓力分布曲線。

圖2 數(shù)值模型

圖3 支承壓力分布曲線

皮帶巷開挖后，破壞了原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，應(yīng)力由三向轉(zhuǎn)化成二向，重新分布后達(dá)到新的平衡。巷道兩側(cè)出現(xiàn)了應(yīng)力集中，巷道左側(cè)距左幫2.2 m，垂直應(yīng)力峰值為15.3 MPa，應(yīng)力增高系數(shù)為1.55；巷道右側(cè)距右?guī)?.1 m，垂直應(yīng)力峰值為15.4 MPa，應(yīng)力增高系數(shù)為1.56；皮帶巷兩側(cè)支承壓力分布曲線基本呈對稱性，應(yīng)力集中系數(shù)基本相當(dāng)，垂直應(yīng)力的最大值距兩幫距離基本相同；應(yīng)力重新分布達(dá)到新的平衡后，距離巷道兩幫大約24 m，垂直應(yīng)力才衰減到原巖應(yīng)力狀態(tài)，表明皮帶巷開挖的影響范圍大致為24 m；皮帶巷兩側(cè)間隔凈煤柱約20 m，分別開挖輔助運(yùn)輸巷和集中回風(fēng)，兩巷道掘進(jìn)處于皮帶巷開挖引起的應(yīng)力集中區(qū)，但已經(jīng)接近原巖應(yīng)力，故而影響不大。

2.2.2 輔運(yùn)巷掘進(jìn)

皮帶巷開挖后，緊接著掘進(jìn)輔助運(yùn)輸巷，兩巷道都完成開挖后，巷道兩側(cè)垂直應(yīng)力的分布特征見圖4 所示。

輔助運(yùn)輸巷開挖后，巷道兩側(cè)也出現(xiàn)了應(yīng)力集中，距右側(cè)巷幫1.9 m，垂直應(yīng)力峰值為17.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.73；距左側(cè)巷幫2.2 m，垂直應(yīng)力峰值為17.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.74；輔運(yùn)巷開挖過程對已掘皮帶巷圍巖應(yīng)力分布有影響，巷道兩側(cè)應(yīng)力集中程度都有所增大，靠近煤柱側(cè)應(yīng)力集中系數(shù)由原來的1.56 提高到1.61；遠(yuǎn)離煤柱側(cè)應(yīng)力集中系數(shù)由原來的1.55 增加到1.57；而影響范圍靠近煤柱側(cè)有所減小，遠(yuǎn)離煤柱側(cè)有所擴(kuò)大，但波動范圍很??；兩巷開挖后，煤柱支承壓力形成了類似馬鞍型分布特征，基本呈對稱型分布，煤柱右側(cè)應(yīng)力集中略比左側(cè)大，而煤柱中央應(yīng)力集中程度最低，應(yīng)力集中系數(shù)為1.2，高于原巖應(yīng)力，表明兩側(cè)巷道開挖，煤柱中央應(yīng)力出現(xiàn)了應(yīng)力疊加現(xiàn)象，煤柱中央也形成了高集中應(yīng)力；煤柱寬度大小影響著支承壓力的分布特征，輔助運(yùn)輸巷與集中皮帶巷間煤柱凈寬20 m，煤柱中央垂直應(yīng)力仍然處于較高集中狀態(tài)，保持煤柱穩(wěn)定關(guān)系到兩側(cè)巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖4 支承壓力分布曲線

2.2.3 集中回風(fēng)巷掘進(jìn)

輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)完成后，開始掘進(jìn)集中回風(fēng)巷，支承壓力分布曲線見圖5。

圖5 支承壓力分布曲線

集中回風(fēng)巷開挖后，巷道兩側(cè)出現(xiàn)了應(yīng)力集中，右側(cè)應(yīng)力最大達(dá)到16.4MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.66；左側(cè)應(yīng)力最大值達(dá)到了15.9 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.59；受到回風(fēng)巷開挖的影響，皮帶巷圍巖應(yīng)力分布發(fā)生了改變，巷道圍巖垂直應(yīng)力都增大；而輔運(yùn)巷圍巖垂直應(yīng)力都減??；回風(fēng)巷與皮帶巷間煤柱形成了對稱性的馬鞍型支承壓力分布特征，兩巷間煤柱寬度也為20 m，煤柱中央應(yīng)力高于原巖應(yīng)力，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.2，表明兩巷開挖后應(yīng)力發(fā)生了疊加。但由于距輔運(yùn)巷較遠(yuǎn)，輔運(yùn)巷受到影響很小。

按照掘進(jìn)順序，四條采準(zhǔn)巷道開挖后，煤柱內(nèi)都出現(xiàn)了應(yīng)力集中，三煤柱全部形成兩頭高中間低形狀的集中應(yīng)力，煤柱中央應(yīng)力全部由于疊加而大于原巖應(yīng)力，整個煤柱內(nèi)聚集了高集中應(yīng)力，因此必須加強(qiáng)煤柱側(cè)支護(hù)。

3 巷道支護(hù)方式

目前錨桿錨索支護(hù)已經(jīng)成為巷道最主要的支護(hù)方式，且預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)[7]。為此南五下組煤采區(qū)集中輔助運(yùn)輸巷支護(hù)參數(shù)如下。

頂板采用“Φ22 mm×2 400 mm 螺紋鋼錨桿加W 鋼帶加錨索加鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm；錨索間距1.5 m，排距2.0 m，每排三根；兩幫采用四排Φ22 mm×2 400 mm 螺紋鋼錨桿加W 托盤加錨索加鋼筋網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，最上排幫錨桿距頂板400 mm，“矩形”布置。幫錨索每隔2.0 m 布置2 根，距頂板1 000 mm 位置安裝1 根，間距1 800 m 再安裝1根，排距2 000 mm；頂錨索采用119 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱直徑Φ22 mm，長度5 300 mm，幫錨索長度4 300 mm。

設(shè)計錨桿預(yù)緊力矩≥400 N·m，錨索張拉力不低于250 kN。

4 井下試驗

在南五下組煤輔運(yùn)巷中安裝了一個測站，包括兩個監(jiān)測斷面，來監(jiān)測巷道的位移狀況，如圖6 和圖7 所示[7-8]。

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫的最大變形量為22 mm，頂?shù)装宓淖畲笞冃瘟繛? mm，巷道掘進(jìn)迎頭在距測站25 m 范圍內(nèi)時增長速度較快，主要是由于掘進(jìn)后，圍巖向開挖空間移動，圍巖的應(yīng)力重新分布，經(jīng)過一定的時間后，巷道的圍巖趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為巷道表面位移量穩(wěn)定，同時可以看出，除去測量誤差的存在，巷道的變形量很小，巷道整體成形狀況良好。

5 結(jié)論

1）通過圍巖結(jié)構(gòu)窺視，掌握了頂板巖層結(jié)構(gòu)面特征，可以為合理選擇錨桿錨索預(yù)應(yīng)力水平提供依據(jù)。

2）巷道群掘進(jìn)過程會在煤柱上形成高應(yīng)力集中，需加強(qiáng)煤幫支護(hù)。

3）解決采區(qū)準(zhǔn)備巷支護(hù)難題不僅要提高支護(hù)強(qiáng)度，而且要合理選擇工作面停采線的位置。

4）采用預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿支護(hù)系統(tǒng)能夠滿足巷道群支護(hù)要求，取得了良好的效果。

圖6 1 號測站a 斷面巷道位移量

圖7 1 號測站b 斷面巷道位移量