深井窄煤柱沿空掘巷非對(duì)稱支護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

張 楊，諸葛長華

(山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

窄煤柱沿空掘巷就是把巷道布置在靠煤柱一側(cè)的低應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行掘進(jìn)，便于巷道維護(hù)，減小巷道變形量，并且窄煤柱的留設(shè)降低了煤炭資源的浪費(fèi)，可防止采空區(qū)的水與有害氣體竄入巷道，已經(jīng)成為我國多數(shù)礦井巷道掘進(jìn)方式之一[1-5]。近年來，深井開采成為我國煤炭資源開采的趨勢(shì)，井深越大，地壓影響越強(qiáng)烈，導(dǎo)致巷道圍巖易破碎，控制巷道變形的難度也比較大。并且留設(shè)的窄煤柱物理性質(zhì)由于開掘、采動(dòng)的影響而發(fā)生改變，支撐能力減弱，沿空巷道由此出現(xiàn)不對(duì)稱性變形[6-11]，巷道頂板或兩幫由于受力不同而出現(xiàn)不對(duì)稱的破壞形式，將針對(duì)這種變形進(jìn)行的支護(hù)稱為非對(duì)稱支護(hù)，即對(duì)移近量不同的兩端各有側(cè)重地進(jìn)行支護(hù)。

為了解決深部高應(yīng)力礦井沿空掘巷支護(hù)困難的問題，以高家堡煤礦-1 000 m一盤區(qū)103工作面回風(fēng)巷道為例，研究巷道所處的應(yīng)力環(huán)境，采用FLAC3D模擬軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，并在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上對(duì)巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，提出了“高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿+讓壓鳥窩錨索[12]+W鋼帶”的非對(duì)稱支護(hù)方案，有效控制巷道的圍巖變形量，保證采掘工作的正常進(jìn)行。

1 工程背景

高家堡煤礦煤層為走向北東、傾向北西的單斜構(gòu)造煤層，傾角一般為2°～7°，屬于近水平煤層。103工作面開采煤層厚度約13 m，平均傾角為5°，開采深度在1 000 m左右，地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單。巷道布置如圖1所示，沿著101工作面采空區(qū)邊緣掘進(jìn) 103工作面回風(fēng)巷道，并且留設(shè)寬度為8 m的煤柱。該巷道服務(wù)于103工作面的生產(chǎn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)長度 506 m，布置在4煤中。

圖1 103工作面沿空巷道位置示意圖

2 圍巖變形破壞形式及控制對(duì)策

2.1 巷道及圍巖破壞現(xiàn)象

103工作面沿空巷道原設(shè)計(jì)長度506 m，埋深約1 000 m，巷道斷面為矩形，高3.55 m、寬5.30 m，斷面面積18.8 m2。根據(jù)高家堡礦井具體的工程地質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)計(jì)了103工作面沿空巷道的支護(hù)方案:錨桿長度2 300 mm、直徑 20 mm，間排距 800 mm×800 mm；錨索長度 6 500 mm、直徑21.8 mm，間排距1 300 mm×800 mm。

該支護(hù)方案已經(jīng)在其他巷道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，巷道開挖后頂板與兩幫都出現(xiàn)了較大范圍的破壞區(qū)，煤體破碎嚴(yán)重，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，頂板下沉量約為800 mm，巷道沿空側(cè)幫移近量約為900 mm，實(shí)體煤側(cè)幫移近量約為600 mm，巷道兩幫變形出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性，煤柱側(cè)移近量明顯大于實(shí)體煤壁側(cè)。

通過現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用效果分析，主要存在以下3方面的問題：

1)巷道兩幫破壞呈不對(duì)稱性，煤柱側(cè)煤體破壞程度嚴(yán)重，破壞范圍大；

2)錨桿、錨索支護(hù)效果較差，錨桿、錨索工作阻力隨巷道開掘及工作面推進(jìn)變化不明顯，表明支護(hù)參數(shù)不能滿足支護(hù)要求；

3)錨桿預(yù)緊力低，部分錨桿、錨索被剪斷。

2.2 圍巖非對(duì)稱變形機(jī)理

巷道沿空側(cè)煤柱煤體受101工作面采動(dòng)影響，其物理力學(xué)性能減弱，在上覆巖層活動(dòng)穩(wěn)定后開掘103工作面回風(fēng)巷，此時(shí)基本頂發(fā)生第一次回轉(zhuǎn)變形；煤柱煤體受到第二次動(dòng)壓影響，力學(xué)性能再次減弱，103工作面回采過程中，基本頂發(fā)生第二次回轉(zhuǎn)變形；受到第三次動(dòng)壓影響，上覆巖層出現(xiàn)“破壞—穩(wěn)定—再破壞—再穩(wěn)定”的變化過程，致使煤柱煤體支撐能力大幅下降，進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)，最終煤柱側(cè)煤體失穩(wěn)破碎[13-15]，且破壞程度大于實(shí)體煤側(cè)。103工作面頂板受力模型如圖2所示。

圖2 沿空掘巷頂板受力示意圖

2.3 控制對(duì)策

影響沿空巷道支護(hù)的關(guān)鍵因素包括以下幾個(gè)方面：

1)支護(hù)系統(tǒng)的非對(duì)稱性。由于留設(shè)的8 m煤柱屬于窄煤柱，受動(dòng)壓影響煤柱側(cè)破壞程度遠(yuǎn)大于實(shí)體煤側(cè)，若想合理控制兩幫變形，須采取不對(duì)稱支護(hù)方案。

2)支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)效果。由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果可以分析出錨桿錨固效果差，長度不足，為了確定錨桿的合理長度，對(duì)103工作面回風(fēng)巷道頂板及兩幫進(jìn)行了圍巖松動(dòng)圈[16-18]測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖3所示。測(cè)試結(jié)果表明，巷道頂板的松動(dòng)圈大小為2.2 m，巷道實(shí)體煤側(cè)幫的松動(dòng)圈范圍約為2.3 m，巷道煤柱側(cè)幫的松動(dòng)圈范圍約為2.4 m,因此相對(duì)應(yīng)需要加長錨桿長度，增大錨桿直徑。

(a)頂板鉆孔

(b)實(shí)體煤側(cè)巷幫鉆孔

(c)煤柱側(cè)巷幫鉆孔

3)支護(hù)系統(tǒng)的安裝載荷(預(yù)應(yīng)力)。預(yù)應(yīng)力[19-20]是錨桿實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)的源泉，這是巷道支護(hù)成功的關(guān)鍵因素之一。支護(hù)系統(tǒng)在安裝時(shí)，必須有一定的預(yù)應(yīng)力，以防止圍巖的早期變形破壞。

基于對(duì)以上關(guān)鍵因素的深入研究和分析，對(duì)103工作面沿空巷道支護(hù)方案進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化及改進(jìn)，提出了“高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿+讓壓鳥窩錨索+W鋼帶”的非對(duì)稱支護(hù)方案。

3 巷道支護(hù)方案參數(shù)的確定

3.1 巷道設(shè)計(jì)

針對(duì)103工作面沿空巷道圍巖受力變形特點(diǎn)，結(jié)合原支護(hù)方案存在的關(guān)鍵問題和不足，對(duì)其進(jìn)行了錨桿支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)103工作面沿空巷道掘進(jìn)斷面高3 400 mm、寬5 300 mm。巷道改進(jìn)后的支護(hù)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 103工作面沿空巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

3.2 頂板及兩幫錨桿設(shè)計(jì)

采用長2 800 mm、直徑22 mm的高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿支護(hù)頂板，每排6根錨桿，間排距為950 mm×950 mm，沿巷道走向頂板錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，頂板最右側(cè)錨桿與巷幫成80°角，頂板最左側(cè)錨桿與巷幫成75°角，采用塑鋼網(wǎng)+W鋼帶對(duì)頂板表面進(jìn)行保護(hù)。兩幫也采用高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排4根錨桿?？拷敯迳喜康?根錨桿采用150 mm×150 mm×10 mm錨桿托盤配合一條W鋼帶支護(hù)。

實(shí)體煤側(cè)表面支護(hù)：雙向拉伸塑料網(wǎng)+W鋼帶。煤柱側(cè)表面支護(hù)：采用金屬焊網(wǎng)支護(hù)，兩幫肩角處噴漿，噴漿厚度不小于35 mm。

3.3 錨索補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

采用?21.8 mm×6 500 mm規(guī)格的讓壓鳥窩錨索對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，每排補(bǔ)打3根錨索，第1根錨索沿巷道中心線位置布置，另外2根沿巷道中心線對(duì)稱布置，錨索間排距為1 500 mm×1 000 mm。

幫錨索布置采用非對(duì)稱支護(hù)方式，在煤柱側(cè)巷幫巷道頂板以下600、2 100 mm布置2路點(diǎn)錨索，錨索采用長度為4 500 mm的讓壓鳥窩錨索，錨索間排距為1 500 mm×1 000 mm；實(shí)體煤側(cè)巷幫則不再補(bǔ)打錨索。

4 工程實(shí)踐

4.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)高家堡煤礦103工作面實(shí)際地質(zhì)條件，分析采空區(qū)側(cè)向支承壓力對(duì) 103工作面回風(fēng)巷道變形的影響，確定合理的巷道最優(yōu)支護(hù)參數(shù)，采用有限差分法軟件 FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算?？紤]到計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，構(gòu)建計(jì)算模型大小為230 m×70 m×60 m，在4個(gè)邊界施加水平方向的約束，限制底部垂直方向位移，在模型頂部邊界施加25 MPa的垂直應(yīng)力，應(yīng)用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬計(jì)算所采用的煤(巖)層物理力學(xué)參數(shù)見表 1。

表1 煤(巖)層物理力學(xué)參數(shù)

4.2 模擬結(jié)果分析

圍巖變形模擬結(jié)果如圖5所示。

(a)原支護(hù)兩幫位移

(b)非對(duì)稱支護(hù)兩幫位移

(c)原支護(hù)頂?shù)装逦灰?/p>

(d)非對(duì)稱支護(hù)頂?shù)装逦灰?/p>

由圖5可知，在原支護(hù)條件下巷道頂板松動(dòng)破壞，移近量較大，頂板下沉量約為800 mm；巷道兩幫變形大，兩幫移近量約為1 800 mm，沿空側(cè)巷幫破壞程度明顯大于實(shí)體煤側(cè)巷幫。在模型中采取非對(duì)稱支護(hù)后，頂?shù)装逡平靠刂圃?0 mm，煤柱側(cè)巷幫移近量顯著降低，煤柱側(cè)移近量約為96 mm，實(shí)體煤側(cè)移近量約為83 mm，說明優(yōu)化后的錨桿、錨索的支護(hù)強(qiáng)度及效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，巷道能夠滿足礦井的正常生產(chǎn)需要。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與結(jié)果分析

通過監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖變形情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理。本次監(jiān)測(cè)設(shè)置2個(gè)測(cè)站，1#測(cè)站位于距開切眼230 m處，2#測(cè)站距開切眼350 m處，測(cè)站具體布置如圖6所示。

圖6 測(cè)站布置示意圖

103工作面回風(fēng)巷道頂板及兩幫移近量隨與工作面距離的變化曲線如圖7所示。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，巷道圍巖移近量在合理范圍內(nèi)，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷囊平匡@著減小，且兩幫移近量差距不大，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近?？傮w來看，窄煤柱側(cè)的變形相對(duì)較大，尤其在掘巷初期，該側(cè)變形速率較大，但隨著巷道掘出時(shí)間的延長，窄煤柱側(cè)變形速率逐漸趨緩，在此過程中，實(shí)體煤側(cè)變形及頂板的下沉同樣呈現(xiàn)出類似的發(fā)展規(guī)律，但其變形程度及移近速率均相對(duì)窄煤柱側(cè)要小一些。

(a)1#測(cè)站

(b)2#測(cè)站

無論在巷道掘進(jìn)期間還是在工作面回采期間，頂板及兩幫的穩(wěn)定性及完整性良好，沒有出現(xiàn)明顯的冒頂、片幫現(xiàn)象，說明非對(duì)稱支護(hù)方案可以保證巷道的長期穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1)在深部礦井中，礦壓顯現(xiàn)劇烈，圍巖松動(dòng)圈更大，沿空巷道更不容易支護(hù)。在選用錨桿時(shí)，考慮到錨桿的主動(dòng)支護(hù)性及錨桿的支護(hù)強(qiáng)度，最終確定采用高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿，支護(hù)效果良好。

2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，巷道圍巖變形在原支護(hù)方案參數(shù)下不能得到有效控制，沿空巷道受到多次采動(dòng)影響導(dǎo)致上覆巖層出現(xiàn)“破壞—穩(wěn)定—再破壞—再穩(wěn)定”的變化過程，巷道圍巖應(yīng)力分布不均勻，尤其是在煤柱側(cè)與實(shí)體煤側(cè)呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性，因此在進(jìn)行巷道支護(hù)時(shí)應(yīng)根據(jù)巷道圍巖實(shí)際受力狀態(tài)采取非對(duì)稱支護(hù)。

3)高家堡煤礦103工作面回風(fēng)巷道采用“高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿+讓壓鳥窩錨索+W鋼帶”的非對(duì)稱錨網(wǎng)索支護(hù)方案，模擬結(jié)果表明，頂板下沉量穩(wěn)定在80 mm，實(shí)體煤側(cè)巷幫與煤柱側(cè)巷幫移近量分別穩(wěn)定在96 mm和 83 mm，在較大采深的賦存狀態(tài)及103工作面采動(dòng)影響下，巷道圍巖移近量較小?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷囊平枯^小，與數(shù)值模擬結(jié)果相近，說明優(yōu)化后的支護(hù)方案能夠有效解決深部高應(yīng)力影響下巷道支護(hù)困難的問題，對(duì)類似條件下巷道圍巖支護(hù)研究有重要意義。