通合煤業(yè)鄰近空巷段巷道錨網(wǎng)索柱聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

康 超

(山西煤礦安全培訓(xùn)中心，山西 太原 030000)

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比保持在50%以上，雖然國(guó)家大力推廣能源結(jié)構(gòu)向綠色發(fā)展，但為保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展，短期內(nèi)煤炭仍將占據(jù)著能源結(jié)構(gòu)的半壁江山[1-2]。早期全國(guó)范圍內(nèi)存在煤礦私挖濫采現(xiàn)象，導(dǎo)致了一些礦井存在著位置不確定的殘留煤柱、采空區(qū)、空巷等，導(dǎo)致掘進(jìn)巷道鄰近或穿過(guò)該類(lèi)區(qū)域時(shí)，巷道圍巖環(huán)境及其變形破壞機(jī)理極為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式難以實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定控制[3-4]。針對(duì)煤礦復(fù)采巷道掘進(jìn)支護(hù)難的問(wèn)題，需根據(jù)試驗(yàn)巷道具體生產(chǎn)地質(zhì)條件采取相應(yīng)的支護(hù)方式和參數(shù)。翟新獻(xiàn)等[5]提出剛性木棚支護(hù)方法；路明文等[6]提出采用導(dǎo)硐施工配合頂板注漿加固方法；董福凱[7]提出采用料石砌墻維護(hù)巷道穩(wěn)定。本文以通合煤業(yè)2號(hào)煤層運(yùn)輸大巷掘進(jìn)過(guò)程中圍巖變形嚴(yán)重為工程背景，通過(guò)分析巷道變形破壞原因，提出鄰近空巷段巷道錨網(wǎng)索柱聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，為類(lèi)似條件下巷道掘進(jìn)支護(hù)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

通合煤業(yè)為資源整合礦井，井田范圍內(nèi)存在大量位置不確定的殘留煤柱、采空區(qū)、空巷等，巷道圍巖環(huán)境極為復(fù)雜。2號(hào)煤層運(yùn)輸大巷掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的巷道變形現(xiàn)象，直接影響到巷道的正常掘進(jìn)。地質(zhì)調(diào)查顯示，巷道變形嚴(yán)重區(qū)域，運(yùn)輸大巷鄰近9～12 m位置存在1條空巷。運(yùn)輸大巷沿2號(hào)煤層頂板布置，巷道掘進(jìn)寬度5.2 m，掘進(jìn)高度3.5 m，掘進(jìn)區(qū)域煤層埋深在200 m左右，煤層平均厚度6.5 m，煤層呈層狀，水平層理，有顯著連續(xù)性，變化不大，屬穩(wěn)定煤層，為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單-較簡(jiǎn)單的厚煤層。含2層夾石。頂板一般為粉砂巖或中粒砂巖，偶為細(xì)粒砂巖或泥巖，平均厚度5.6 m，普氏系數(shù)8.0左右。底板一般為泥巖或粉砂巖，偶為細(xì)粒砂巖，平均厚度3.7 m，普氏系數(shù)3.0左右。

2 鄰近空巷段巷道變形破壞數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模擬建立

基于通合煤業(yè)2號(hào)煤層運(yùn)輸大巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用FLAC3D有限差分軟件，建立鄰近空巷段巷道掘進(jìn)數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=90 m×10 m×40 m，模型本構(gòu)為莫爾-庫(kù)倫模型，模型四周限制水平位移，底部采用固支，模型上部采用應(yīng)力邊界模擬上覆載荷，模擬流程為：初始應(yīng)力平衡—開(kāi)挖空巷—應(yīng)力平衡—開(kāi)挖試驗(yàn)巷道—應(yīng)力平衡，模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型圖

2.2 巷道變形破壞特征分析

圖2為開(kāi)挖空巷后圍巖垂直應(yīng)力分布云圖。圖3、圖4分別為開(kāi)挖試驗(yàn)巷道后圍巖變形分布云圖和塑性區(qū)圖。由圖2可知，空巷掘進(jìn)后導(dǎo)致試驗(yàn)巷道圍巖應(yīng)力增加1.5～2.0 MPa，試驗(yàn)巷道掘進(jìn)后巷道圍巖應(yīng)力二次分布疊加，巷道幫部及底部巖層均為軟弱煤體，在高應(yīng)力作用下易出現(xiàn)塑性破壞，從而影響巷道的圍巖穩(wěn)定。由圖3可知，開(kāi)挖試驗(yàn)巷道后，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量約161 mm，其中頂板下沉37 mm，底板鼓起量124 mm，巷道底板變形量相對(duì)較大。由圖4可知，巷道圍巖塑性區(qū)主要分布在巷道幫部和底板巖層，幫部塑性區(qū)范圍約為2.0 m，底板塑性區(qū)范圍約為3.0 m。

圖2 開(kāi)挖空巷后圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

圖3 試驗(yàn)巷道圍巖變形分布云圖

圖4 試驗(yàn)巷道塑性區(qū)

根據(jù)礦山壓力理論[8]，由于巷道圍巖塑性區(qū)范圍較大，錨桿錨固區(qū)域圍巖體破碎，錨桿錨固效果將出現(xiàn)局部失效，巷道圍巖不能形成有效的錨桿組合拱結(jié)構(gòu)，巷道圍巖易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。由圖4可以看出，巷道因幫部塑性區(qū)變形形成的倒梯形斷面結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)場(chǎng)情況相符。

綜上所述，試驗(yàn)巷道發(fā)生嚴(yán)重變形的原因是：鄰近空巷圍巖應(yīng)力重新分布導(dǎo)致試驗(yàn)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，試驗(yàn)巷道掘進(jìn)后圍巖應(yīng)力二次分布，并與次生應(yīng)力疊加，導(dǎo)致巷道頂板應(yīng)力顯著增加，原支護(hù)不足以控制巷道頂板變形，應(yīng)力轉(zhuǎn)移至幫部，幫部塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，錨桿錨固結(jié)構(gòu)失效，并導(dǎo)致嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象。

3 鄰近空巷段巷道錨網(wǎng)索柱聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

基于試驗(yàn)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件和巷道變形破壞特征分析，確定對(duì)采用高強(qiáng)度控頂方式，控制塑性區(qū)發(fā)展，保證有效的錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)巷道的穩(wěn)定控制。基于此，開(kāi)發(fā)鄰近空巷段巷道錨網(wǎng)索柱聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，技術(shù)應(yīng)用后，巷道掘進(jìn)寬度由5.2 m變?yōu)?.2 m，掘進(jìn)高度不斷，為3.5 m，具體參數(shù)如下：

1) 錨網(wǎng)索支護(hù)：頂幫錨桿采用規(guī)格D20 mm、L2.2 m的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距設(shè)計(jì)0.8 m×0.8 m，每排6根，均采用鋼筋梯連接，錨索采用規(guī)格為D17.8 mm、L6.5 m的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距設(shè)計(jì)3.0 m×2.4 m，采用W鋼帶連接，金屬網(wǎng)采用菱形網(wǎng)，頂網(wǎng)規(guī)格5.0 m×0.9 m，幫網(wǎng)規(guī)格3.3 m×0.9 m，支護(hù)斷面如圖5所示。

圖5 巷道支護(hù)斷面圖(mm)

2) 瑞諾支柱支護(hù)：巷道采用瑞諾支柱加強(qiáng)支護(hù)，支柱直徑設(shè)計(jì)0.8 m，高3.5 m間距5.0 m，沿巷道幫部布置，材料采用水灰比為1∶1，配上一定的粒徑為20～50 mm的矸石制作而成，試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度在14 MPa以上，支柱之間砂袋堆砌并注水膠結(jié)，瑞諾支柱支護(hù)布置如圖6所示。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

將提出的鄰近空巷段巷道錨網(wǎng)索柱聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于通合煤業(yè)2號(hào)煤層運(yùn)輸大巷掘進(jìn)支護(hù)中，同時(shí)監(jiān)測(cè)了試驗(yàn)巷道圍巖變形情況，如圖7所示。由圖7可知，采用錨網(wǎng)索柱聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量?jī)H為37 mm，頂板下沉12 mm，底鼓25 mm，瑞諾支柱收縮量?jī)H為8 mm，且支柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，表明了鄰近空巷段巷道錨網(wǎng)索柱聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了通合煤業(yè)2號(hào)煤層運(yùn)輸大巷的穩(wěn)定控制。

圖6 瑞諾支柱支護(hù)布置圖

圖7 試驗(yàn)巷道圍巖變形曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

通合煤業(yè)2號(hào)煤層運(yùn)輸大巷圍巖變形破壞嚴(yán)重，采用數(shù)值模擬方法分析了巷道變形破壞特征原因，認(rèn)為鄰近空巷產(chǎn)生次生應(yīng)力與巷道掘進(jìn)后圍巖重新分布的應(yīng)力二次疊加，導(dǎo)致巷道頂板應(yīng)力顯著增加，原支護(hù)不足以控制巷道頂板變形，從而導(dǎo)致巷道出現(xiàn)嚴(yán)重變形現(xiàn)象，基于此，開(kāi)發(fā)了鄰近空巷段巷道錨網(wǎng)索柱聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索+瑞諾支柱支護(hù)，技術(shù)應(yīng)用后，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量?jī)H為37 mm，頂板下沉12 mm，底鼓25 mm，瑞諾支柱收縮量?jī)H為8 mm，實(shí)現(xiàn)了通合煤業(yè)2號(hào)煤層運(yùn)輸大巷的穩(wěn)定控制。