留小煤柱回采巷道支護效果分析

焦明明

(晉能控股裝備制造集團 寺河煤礦, 山西 晉城 048000)

錨桿支護是保證巷道圍巖穩(wěn)定性的有效方法之一，錨桿支護不但可以提高支護巖體的自身強度和穩(wěn)定性，而且可以有效控制巷道圍巖變形[1-2].研究人員對錨桿與圍巖之間的相互作用機理進行了廣泛研究，取得了大量的成果。但是由于煤礦地質(zhì)條件的復雜性，各種支護理論不能在所有礦區(qū)取得良好效果。尤其對于留設(shè)小煤柱的回采巷道與大煤柱支護方案會有顯著不同，小煤柱受到工作面回采的影響嚴重，裂隙會更加發(fā)育，選擇正確的支護參數(shù)對于保證工作面安全回采至關(guān)重要[3-5].

1 工程概況

某礦設(shè)計能力為1 500萬t/a，服務(wù)年限為140年。3-5#煤層為主采煤層，設(shè)置一盤區(qū)和二盤區(qū)兩個生產(chǎn)盤區(qū)。3-5#煤層厚度為8.36～29.21 m，平均17.52 m；傾角為2°～6°，平均3°.8204綜放工作面布置在二盤區(qū)，工作面長230.5 m，走向長度1 100 m，采用三巷布置，其中5206巷為主運輸巷，5204巷為輔助運輸巷，巷道之間保護煤柱為6 m小煤柱，巷道設(shè)計斷面為矩形，巷道掘進寬度5.2 m、凈寬5 m，掘進高度3.6 m、凈高3.3 m，沿煤層底板掘進，頂煤11.4 m，為全煤巷。巷道布置示意圖見圖1.

圖1 8204工作面巷道布置示意圖

2 巷道支護方案

根據(jù)傳統(tǒng)支護理論對8204工作面回采巷道進行了支護設(shè)計。巷道整體采用錨桿+錨索+W鋼帶+錨索組合鋼梁+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，支護設(shè)計見圖2.巷道頂板采用d22 mm，長2 500 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，兩端錨桿與水平面夾角75°，其余垂直頂板打設(shè)，每排錨桿下方增加W鋼帶，排距800 mm；頂錨索采用d22 mm，長8 300 mm，垂直頂板打設(shè)，排距1 600 mm、間距2 000 mm.兩幫采用d22 mm，長3 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿(回采幫采用玻璃鋼錨桿)，排距800 mm，間距900 mm.頂板及兩幫錨桿下方打設(shè)W鋼帶，錨索下方架設(shè)11#礦用工字鋼。兩幫鋪設(shè)網(wǎng)格50 mm×50 mm塑料網(wǎng)，防止片幫傷人。

圖2 5204巷支護設(shè)計圖

3 圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型的建立

采用數(shù)值模擬軟件CDEM對支護條件下圍巖穩(wěn)定性及應力分布進行數(shù)值模擬，建立xy二維數(shù)值模型，數(shù)值模型包含煤層底板24 m，煤層及頂板146 m范圍。長度500 m，高度170 m.模型邊界條件：x方向兩側(cè)位移約束，y方向底面位移約束，y方向頂面施加8.75 MPa垂直應力，模擬上覆350 m左右的巖層自重壓力，模型采用四邊形網(wǎng)絡(luò)。數(shù)值模型見圖3.

圖3 模擬模型圖

3.2 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

8204工作面開采過程中巷道圍巖變形情況見圖4.由圖4可知，工作面開采過后5206巷變形嚴重，導致其上覆頂板向采空區(qū)方向傾斜，頂板巖層裂隙較多，但是并沒有完全垮落。兩巷中間的小煤柱狀態(tài)較為完好，僅靠近5206巷一側(cè)有多條裂隙發(fā)育，但并沒有貫通，其余位置較為完整。5204巷圍巖基本穩(wěn)定，其上覆頂板受到5206巷頂板傾斜的影響，裂隙逐漸向5204巷上方延展，在錨桿、錨索支護作用下并沒有完全發(fā)育，不足以影響到巷道圍巖穩(wěn)定性，頂?shù)装遄畲笠平繛?25 mm，左幫最大移近量165 mm，右?guī)妥畲笠平?0 mm.由此可見，5204巷支護方案可行，能保證巷道圍巖穩(wěn)定性。

圖4 巷道圍巖穩(wěn)定性圖

3.3 錨桿受力分析

巷道錨桿受力圖見圖5.從圖5可以看出，5206巷圍巖變形嚴重，5204巷圍巖較為完整。尤其是5206巷頂板變形大，錨索、錨桿受力大，部分區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了嚴重變形，頂錨索所受最大拉應力為525 MPa，幫錨桿受到最大拉應力為293 MPa，部分錨桿、錨索受力已經(jīng)超過或接近材料的強度極限，隨時存在破斷風險。5204巷變形較小，錨桿、錨索主要以拉應力為主，應力集中在150～200 MPa,均處于各自錨固力范圍，錨桿、錨索能夠很好地發(fā)揮錨固作用，保證巷道圍巖穩(wěn)定性。

圖5 兩側(cè)巷道錨桿受力圖

綜上分析可知，8204工作面回采過程中，5206巷的支護系統(tǒng)被完全破壞，導致圍巖破損嚴重；5204巷錨桿、錨索受力均在合理范圍，巷道變形量較小，說明支護方案可以很好地保證5204巷的整體穩(wěn)定性。

4 工程應用

為了保證小煤柱5204巷道圍巖穩(wěn)定性，驗證支護方案的合理性，對5204巷圍巖移近量進行了觀測，觀測結(jié)果見圖6.由圖6可知，隨工作面的推進，5204巷圍巖移近量及移近速率均在逐步增加，兩幫最大移近量為192 mm，最大移近速率為64 mm/d；頂?shù)装遄畲笠平繛?00 mm，最大移近速率為20 mm/d，變形量與數(shù)值模擬結(jié)果相近。由此可見，巷道兩幫變形程度要大于頂?shù)装?，工作面對巷道圍巖影響范圍為0～60 m，在超前工作面25 m范圍內(nèi)影響最大。

圖6 5204巷圍巖移近量變化曲線圖

5 結(jié) 語

針對8204工作面5204巷小煤柱破壞嚴重的問題，對其支護方案進行了設(shè)計。通過數(shù)值模擬分析可知，該支護條件下巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?25 mm，左幫最大移近量165 mm，右?guī)妥畲笠平?0 mm，錨桿和錨索受力集中在150～200 MPa,均處于各自錨固力范圍，錨桿、錨索能夠很好地發(fā)揮錨固作用?，F(xiàn)場工程應用圍巖變形量與數(shù)值模擬結(jié)果相近，進一步證明8204工作面小煤柱巷道支護設(shè)計科學合理。