塔山礦8207工作面沿空掘巷圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

繆志炳

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 塔山煤礦有限公司，山西 大同 037000)

1 工程概況

同煤集團(tuán)塔山礦8207工作面井下位于3～5號(hào)煤層二盤(pán)區(qū)，工作面東北部為8205工作面，目前工作面正在回采，預(yù)計(jì)于2022年6月回采完畢，西南部為8209采空區(qū)；待8207工作面進(jìn)行回采作業(yè)時(shí)，工作面已成為孤島工作面，具體工作面位置如圖1所示。工作面開(kāi)采3號(hào)～5號(hào)煤層，煤層均厚為13.8 mm，頂板巖層為泥巖和細(xì)粒砂巖。8207孤島工作面的2207巷主要為工作面提供運(yùn)輸、進(jìn)風(fēng)和行人等服務(wù)，巷道采用矩形斷面，巷道掘進(jìn)寬度5.5 m、高度3.6 m； 5207巷主要為工作面提供回風(fēng)、行人服務(wù)，巷道采用矩形斷面，掘進(jìn)寬度5.2 m、高度3.8 m。由于 2207巷和5207巷掘進(jìn)期間均為沿空掘巷，現(xiàn)以2207巷掘進(jìn)期間的圍巖控制為研究對(duì)象，具體進(jìn)行沿空掘巷圍巖控制技術(shù)研究。

圖1 8207孤島工作面布置位置示意

2 護(hù)巷煤柱寬度分析

根據(jù)8207工作面的地質(zhì)資料，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，結(jié)合鉆孔柱狀圖(W907號(hào)鉆孔)的信息，該次模型的巖層共分為44層。模型尺寸為1 000 m×200 m(X×Z)。模型邊界處理為：模型左右兩側(cè)限制其X軸、Y軸的位移，模型底部限制其Z方向的位移，頂部施加等效自重荷載。模型共劃分38 500個(gè)網(wǎng)格[1-3]。沿8205工作面至8209工作面中間煤層中部設(shè)置1條監(jiān)測(cè)線用以監(jiān)測(cè)在2個(gè)工作面采空后側(cè)向支承壓力的大小，數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 邊界條件及測(cè)線布置示意

數(shù)值模型初始平衡后，分別對(duì)8209工作面、8205工作面進(jìn)行回采，待工作面穩(wěn)定后記錄2個(gè)采空區(qū)中間對(duì)應(yīng)8207孤島工作面位置的側(cè)向支承壓力數(shù)值。具體兩鄰近工作面回采后垂直應(yīng)力和垂直位移分布如圖3所示。

分析圖3可知，在模型計(jì)算平衡之后，在采空區(qū)兩側(cè)一定距離出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在最靠近采空區(qū)邊緣的位置出現(xiàn)了一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)。在沿空掘巷期間，將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)利于圍巖控制。

圖3 垂直應(yīng)力和垂直位移分布云圖

根據(jù)數(shù)值模擬中測(cè)線的監(jiān)測(cè)結(jié)果，能夠進(jìn)一步得出鄰近8205工作面回采完畢后采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力，如圖4所示。

圖4 采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承應(yīng)力分布

分析圖4可以得出，3～5號(hào)煤層對(duì)應(yīng)8207孤島工作面位置原巖應(yīng)力約為10 MPa，而在8205工作面及8209工作面采空區(qū)穩(wěn)定后，在其采空區(qū)邊緣位置均出現(xiàn)一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)，兩側(cè)產(chǎn)生的應(yīng)力降低區(qū)范圍為10 m。應(yīng)力峰值分別出現(xiàn)在距離8205采空區(qū)邊緣37 m以及距離8209采空區(qū)邊緣34 m位置處，應(yīng)力峰值大小分別為17.65 MPa和17.37 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.77和1.74。

綜上所述，在8205工作面及8209工作面采空至穩(wěn)定后，在兩采空區(qū)邊緣位置約10 m范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，在該范圍內(nèi)布置巷道將大大改善巷道應(yīng)力環(huán)境。因此，據(jù)8207孤島工作面兩巷道設(shè)計(jì)尺寸，確定8207工作面兩巷道的小煤柱寬度為5 m。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 支護(hù)參數(shù)計(jì)算

綜合8207工作面特征及數(shù)值模擬結(jié)果，確定2207巷沿空掘巷期間采用錨網(wǎng)索支護(hù)方案，現(xiàn)對(duì)支護(hù)方案中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，具體如下：

1) 錨桿長(zhǎng)度的確定：

L=N(1.1+B/10)

(1)

式中：L為錨桿長(zhǎng)度，m；B為巷道寬度，取5.5 m；N為圍巖穩(wěn)定影響系數(shù)，取1；計(jì)算得出L=1.65 m。結(jié)合礦井生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，最終確定錨桿采用直徑為22 mm、長(zhǎng)度為2 400 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿。

2) 錨桿間排距的確定：

D≤0.5L

(2)

式中：D為錨桿間排距，m；其余符號(hào)含義同上；計(jì)算得出錨桿間排距需小于1.2 m，綜合同類型巷道的工程經(jīng)驗(yàn)，最終確定錨桿間排距為1 000 mm×900 mm。

3) 錨索長(zhǎng)度的確定：

L=L1+L2+L3

(3)

式中：L為錨索總長(zhǎng)，m；L1為錨固段長(zhǎng)度(樹(shù)脂錨固劑與鋼絞線的粘結(jié)長(zhǎng)度)，取1.5 m；L2為自由段長(zhǎng)，取1.4 m；L3為張拉端長(zhǎng)，m。計(jì)算得出L=3.4 m，即巷道錨索長(zhǎng)度需大于3.4 m，結(jié)合礦井生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)頂錨索采用6.3 m，幫錨索采用4.3 m，完全滿足要求。

4) 錨索間排距及每排數(shù)目的確定。根據(jù)眾多錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)的研究結(jié)果可知[4-6]，在進(jìn)行錨索間排距設(shè)置時(shí)，錨索排距一般≤錨索長(zhǎng)度的1/2，結(jié)合頂錨索長(zhǎng)度為6.3 m，最終確定頂錨索排距為2.7 m。

3.2 支護(hù)方案

1) 巷道頂板支護(hù)：錨桿規(guī)格為D22 mm×2 400 mm，屈服強(qiáng)度不低于500 MPa，每排6根加W型鋼帶，距巷道兩幫250 mm各打1根錨桿，頂角2根錨桿與頂板成15°布置，其余錨桿均垂直頂板布置，間排距為1 000 mm×900 mm，錨桿打設(shè)完畢后，采用鋼筋網(wǎng)護(hù)表，通過(guò)W型鋼帶實(shí)現(xiàn)錨桿間的連接，W型鋼帶為5 200 mm×280 mm×4 mm。頂板錨索規(guī)格為D21.8-1×19-6 300 mm鋼絞線，每間隔2排錨桿布置1排錨索，錨索間排距為1 000 mm×2 700 mm，錨索均垂直頂板布置，錨索吊JW型高強(qiáng)度鋼帶及雙層網(wǎng)護(hù)表(菱形金屬網(wǎng)+鋼筋網(wǎng))，JW型鋼帶為5 200 mm×330 mm×6 mm。兩腮布置角錨索，角錨索為排距1 800 mm，D21.8-1×19-5 000 mm鋼絞線，與水平成45°夾角，角錨索吊500 mm短節(jié)11號(hào)工字鋼，組合錨索采用D21.8-1×19-8 300 mm鋼絞線，1排布置兩組組合錨索，每組內(nèi)的錨索間呈等腰三角形布置，組合錨索間排距為2 000 mm×2 700 mm。

2) 采煤幫支護(hù)：錨桿規(guī)格型號(hào)均同頂板錨桿，間排距為900 mm×900 mm，兩幫角錨桿與幫部成15°布置，頂幫角錨桿斜向上打設(shè)，底幫角錨桿斜向下打設(shè)，其余錨桿均垂直于巷道幫部；巷幫錨索與中間2根錨桿交替布置，錨索規(guī)格為D21.8 mm-1×19-4 300 mm，錨索托盤(pán)采用高強(qiáng)度球形托盤(pán)，規(guī)格參數(shù)為300 mm×300 mm×14 mm，垂直巷道幫部布置。錨桿配W型鋼護(hù)板及雙層金屬網(wǎng)護(hù)表，W型鋼護(hù)板為450 mm×280 mm×4 mm、金屬網(wǎng)為雙層10號(hào)鐵絲菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格50 mm×50 mm。

3) 煤柱幫支護(hù)：錨桿規(guī)格參數(shù)同頂板錨桿，間排距900 mm×900 mm，兩幫角錨桿分別在距頂板和底板400 mm和500 mm的位置處打設(shè)，錨桿與幫部成15°夾角，分別斜向上和斜向下打設(shè)，其余錨桿均垂直于巷幫布置，錨桿托盤(pán)為150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盤(pán)。錨桿配W型鋼護(hù)板及金屬網(wǎng)護(hù)表，W型鋼護(hù)板為450 mm×280 mm×4 mm、金屬網(wǎng)為雙層10號(hào)鐵絲菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格50 mm×50 mm。

巷道支護(hù)斷面如圖5所示。

圖5 2207巷支護(hù)設(shè)計(jì)(mm)

4) 錨固長(zhǎng)度及預(yù)緊力：巷道全斷面錨桿均采用樹(shù)脂錨固劑進(jìn)行加長(zhǎng)錨固，錨桿錨固時(shí)采用2根樹(shù)脂藥卷，分別為MSK2335和MSZ2360，錨固力≥190 kN，錨固長(zhǎng)度為900 mm，設(shè)置全斷面錨桿的預(yù)緊力矩為400 N·m；巷道全斷面錨索采用樹(shù)脂藥卷進(jìn)行端頭錨固，錨固采用3支藥卷，2支MSZ2360和1支MSK2335，錨固長(zhǎng)度為1 500 mm，錨索錨固力需大于370 kN，錨固長(zhǎng)度為1 500 mm，設(shè)置錨索預(yù)應(yīng)力≥290 kN。

3.3 效果分析

8207工作面2207巷沿空掘巷期間，設(shè)置圍巖變形監(jiān)測(cè)站，每間隔50 m設(shè)置1個(gè)變形監(jiān)測(cè)站，測(cè)站緊跟迎頭設(shè)置，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行圍巖變形觀測(cè)分析，現(xiàn)選取1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)測(cè)站前30 d的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制出頂?shù)装逡平亢蛢蓭妥冃瘟壳€如圖6所示。

圖6 2207巷掘巷期間圍巖變形曲線

分析圖6可知，2207巷掘巷期間，在巷道開(kāi)挖后的12 d內(nèi)圍巖變形速度較快，巷道掘出15 d后，巷道圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平康淖畲笾捣謩e為41 mm和52 mm。綜合2207巷掘進(jìn)期間的圍巖變形數(shù)據(jù)可知，巷道現(xiàn)有護(hù)巷煤柱寬度和錨網(wǎng)索支護(hù)方案下圍巖變形量小，滿足回采巷道使用要求。

根據(jù)8207孤島工作面的特征，通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行回采巷道護(hù)巷煤柱寬度的模擬分析，確定合理的護(hù)巷煤柱寬度為5 m，設(shè)計(jì)2207巷采用錨網(wǎng)索支護(hù)，通過(guò)理論計(jì)算結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定支護(hù)參數(shù)，根據(jù)巷道掘進(jìn)期間圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，巷道在5 m煤柱寬度和錨網(wǎng)索支護(hù)方案下，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足回采巷道的使用要求。