黃陵一號(hào)煤礦工作面進(jìn)風(fēng)順槽破碎段圍巖控制技術(shù)

索王博

(陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦，陜西 延安 727307)

0 引言

破碎段圍巖控制長(zhǎng)期以來(lái)一直是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要問(wèn)題之一[1-5]，如何有效優(yōu)化破碎段巷道的合理支護(hù)參數(shù)能夠?yàn)榈V井安全生產(chǎn)及合理提高經(jīng)濟(jì)效益帶來(lái)重要意義[6-8]，對(duì)此，以黃陵一號(hào)煤礦622工作面進(jìn)風(fēng)順槽為主要研究背景，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，對(duì)622進(jìn)風(fēng)順槽巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效解決了礦區(qū)破碎巷道支護(hù)問(wèn)題。

1 工程概況

陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦位于陜西省延安市黃陵縣境內(nèi)，其工業(yè)場(chǎng)地位于黃陵縣店頭鎮(zhèn)，距店頭鎮(zhèn)建成區(qū)約1.5 km，距黃陵縣城約24 km。礦區(qū)形狀不規(guī)則，東西寬約10～19 km、南北長(zhǎng)約5～21 km，井田面積為184.174 4 km2。

礦井622工作面對(duì)應(yīng)上部位于圪嶗寺西北部。地面標(biāo)高+1 117～+1 367 m，工作面位于六盤(pán)區(qū)，六盤(pán)區(qū)位于黃陵一號(hào)煤礦北二大巷兩翼，南與西一大巷相接，北鄰十一、十四盤(pán)區(qū)，東接五盤(pán)區(qū)、十盤(pán)區(qū)，向西為井田邊界。622工作面西接北二輔助運(yùn)輸巷，南為621工作面采空區(qū)，北為625進(jìn)風(fēng)順槽，向東為五盤(pán)區(qū)。

本礦目前開(kāi)采2號(hào)煤層，煤層平均厚度2.45 m。工作面煤層上方為直接頂粉砂巖，厚6.1 m；直接頂上方為老頂細(xì)粒砂巖，厚10 m。工作面煤層下方為砂質(zhì)泥巖，厚2.5 m。622工作面進(jìn)風(fēng)順槽正在掘進(jìn)，掘?qū)?.6 m，掘高2.8 m。

2 進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)分析

根據(jù)礦井地質(zhì)資料和與井下工作人員溝通了解到，陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦622進(jìn)風(fēng)順槽400～930 m段圍巖破碎掘進(jìn)時(shí)支護(hù)不利條件有：①622工作面進(jìn)風(fēng)順槽400～930 m處由于巷道錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致錨桿(索)可施加的預(yù)緊力較小，無(wú)法滿足支護(hù)強(qiáng)度需求，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)順槽局部頂板破碎現(xiàn)象嚴(yán)重，金屬網(wǎng)“網(wǎng)包”現(xiàn)象明顯[3]。②622工作面頂板局部存在含水層，最大涌水量高達(dá)0.240 24 m3/h。由于富水區(qū)域隔水砂土層較薄，工作面回采導(dǎo)致的頂板淋水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，進(jìn)一步弱化了622工作面進(jìn)風(fēng)順槽頂板圍巖強(qiáng)度。③由于工作面回采產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力較大，加之進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)強(qiáng)度不足，工作面順槽應(yīng)力集中明顯，順槽圍巖破壞現(xiàn)象嚴(yán)重[4]。

3 圍巖控制方案

622工作面進(jìn)風(fēng)順槽為直墻圓弧拱形巷道，掘進(jìn)寬4.6 m，掘高2.8 m。其中進(jìn)風(fēng)順槽400～900 m段圍巖破碎，由于原支護(hù)方案和參數(shù)不合理，400～900 m段圍巖頂板存在富水區(qū)，導(dǎo)致巖性抗壓強(qiáng)度下降，又受相鄰工作面采動(dòng)影響頂?shù)装逡平孔畲罂蛇_(dá)980 mm，兩幫移近量最大可達(dá)890 mm，需對(duì)原支護(hù)方案和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化來(lái)控制巷道圍巖變形量。針對(duì)622工作面進(jìn)風(fēng)順槽富水頂板圍巖破碎現(xiàn)象嚴(yán)重問(wèn)題，設(shè)計(jì)622工作面進(jìn)風(fēng)順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，見(jiàn)表1。

表1 622工作面進(jìn)風(fēng)順槽破碎段補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案Table 1 Reinforced support scheme for the fracture section of 622 working face’s intake roadway

頂板錨索設(shè)計(jì)參數(shù)為中間2根間距1 000 mm，靠近兩幫2根間距1 400 mm，排距1 200 mm，采用T140型鋼帶配備錨索梁，錨索采用φ17.8 mm×10 300 mm鋼絞線，預(yù)緊力不小于350 kN。622工作面進(jìn)風(fēng)順槽破碎段錨桿、錨索布置如圖1所示。

圖1 622工作面進(jìn)風(fēng)順槽破碎段錨桿、錨索布置Fig.1 Arrangement of bolts and anchor cables in the fracture section of 622 working face’s intake roadway

4 數(shù)值模擬分析

4.1 模型建立

模擬采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)模型施加摩爾庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系，計(jì)算模型尺寸為55 m×4 m×44 m，由于本研究主要針對(duì)掘進(jìn)期間巷道變形特征情況，一般的巷道塑性變形破壞的主要影響范圍為3～5倍的巷道尺寸，黃陵一號(hào)煤礦622進(jìn)風(fēng)順槽為4.8 m×3.6 m，故在巷道的主要影響范圍內(nèi)對(duì)模型網(wǎng)格細(xì)化，次要影響范圍逐漸擴(kuò)大網(wǎng)格。最終建立模型132 640個(gè)單元，150 039個(gè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)值模擬模型圖如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model

4.2 模型邊界條件及模擬方案

對(duì)模型前后左右4個(gè)方向限制位移，對(duì)模型下底面固支，同時(shí)在模型上頂面施加均布載荷以模擬未建模的基巖層對(duì)模型產(chǎn)生的重力影響，同時(shí)對(duì)模型施加自重應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)模型開(kāi)挖巷道后的應(yīng)力重新分布進(jìn)行分析。

由于本模型僅分析掘進(jìn)時(shí)期巷道的主要變化，故在初始地應(yīng)力場(chǎng)平衡后直接對(duì)巷道部分進(jìn)行開(kāi)挖，平衡后對(duì)巷道的垂直應(yīng)力及塑性破壞范圍進(jìn)行分析。

4.3 模擬結(jié)果分析

圖3為622進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)時(shí)期應(yīng)力云圖。由圖3可知，巷道圍巖應(yīng)力整體呈“駝峰”狀，在巷道兩幫角處出現(xiàn)最大應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力峰值約為21 MPa。分析認(rèn)為，在掘進(jìn)過(guò)程中，巷道兩幫幫角處首先出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著應(yīng)力超過(guò)屈服極限，巷道圍巖發(fā)生破碎；巷道底角進(jìn)一步出現(xiàn)應(yīng)力集中，但集中程度較小，底板圍巖相對(duì)完整。

圖3 622進(jìn)風(fēng)順槽垂直應(yīng)力云圖Fig.3 Vertical stress cloud diagram of 622 intake roadway

圖4為巷道掘進(jìn)時(shí)期塑性區(qū)分布云圖。由圖4可知，掘進(jìn)期間，巷道頂?shù)装鍑鷰r基本未發(fā)生塑性破壞，主要的破碎區(qū)域出現(xiàn)在巷道兩幫部，整體來(lái)說(shuō)，上下兩幫破碎程度較為類(lèi)似，與垂直應(yīng)力分析結(jié)果較為一致。

圖4 622進(jìn)風(fēng)順槽塑性區(qū)分布云圖Fig.4 Cloud map of plastic zone distribution in 622 intake roadway

圖5為622工作面進(jìn)風(fēng)順槽在掘進(jìn)過(guò)程中底板巖層最大主應(yīng)力分布曲線。由圖5掘進(jìn)影響階段圍巖最大主應(yīng)力變化曲線可以看出，622進(jìn)風(fēng)順槽自煤柱幫向回采幫方向應(yīng)力集中趨勢(shì)基本表現(xiàn)為先上升后下降，再上升再下降的趨勢(shì)，整體來(lái)說(shuō)，巷道的最大主應(yīng)力最小值為3.43 MPa，此時(shí)，由于應(yīng)力已經(jīng)釋放，可以認(rèn)為巷道底板圍巖發(fā)生破壞，隨著底板深度不斷增大，最大主應(yīng)力數(shù)值不斷上升，表明圍巖逐漸積聚應(yīng)力，圍巖完整，狀態(tài)良好。

圖5 622進(jìn)風(fēng)順槽最大主應(yīng)力曲線Fig.5 Maximum principal stress curve of 622 intake roadway

由圖6掘進(jìn)影響階段圍巖最小主應(yīng)力變化曲線可以看出，底板巖層最小主應(yīng)力變化曲線同樣呈現(xiàn)出“拋物線”式變化趨勢(shì)。隨著底板深度的不斷增大，底板圍巖應(yīng)力不斷增大。由此可見(jiàn)，底板淺部圍巖發(fā)生破壞，深部圍巖相對(duì)完整，與應(yīng)力結(jié)果顯示一致。

圖6 622進(jìn)風(fēng)順槽最小主應(yīng)力曲線Fig.6 Minimum principal stress curve of 622 intake roadway

由巷道底板最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力變化曲線可以看出，進(jìn)風(fēng)順槽在掘進(jìn)過(guò)程中巷道周?chē)鷩鷰r應(yīng)力普遍不大，受掘進(jìn)應(yīng)力的影響也比較小，底板0～1 m范圍內(nèi)有小范圍的變形破壞，采用普通的錨桿支護(hù)方式便可以控制巷道周?chē)鷩鷰r應(yīng)力。

5 支護(hù)效果分析

5.1 測(cè)點(diǎn)的布置

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦622工作面進(jìn)風(fēng)順槽400～900 m圍巖破碎段控制效果，監(jiān)測(cè)622工作面進(jìn)風(fēng)順槽錨桿錨索支護(hù)巷道圍巖變形量，采用十字布點(diǎn)法[9-14]，對(duì)622工作面進(jìn)風(fēng)順槽的巷道圍巖變形情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，監(jiān)測(cè)周期共計(jì)45 d，每2天監(jiān)測(cè)一次。

5.2 觀測(cè)結(jié)果

圖7為622進(jìn)風(fēng)順槽破碎段圍巖位移曲線圖。從圖7可以看出進(jìn)風(fēng)順槽頂板、底板、兩幫圍巖變形量在1～20 d內(nèi)增加明顯，在20 d后圍巖變形量開(kāi)始趨于穩(wěn)定，其中頂板下沉量最大，穩(wěn)定在125 mm。左幫移近量穩(wěn)定在105 mm，右?guī)鸵平糠€(wěn)定在110 mm，底鼓量穩(wěn)定在88 mm。

圖7 622進(jìn)風(fēng)順槽破碎段圍巖位移曲線Fig.7 Displacement curve of surrounding rock in the fracture section of 622 intake roadway

6 結(jié)論

(1)針對(duì)黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦622工作面進(jìn)風(fēng)順槽具體的工程地質(zhì)概況，分析總結(jié)了622工作面進(jìn)風(fēng)順槽400～900 m處圍巖破碎段巷道變形影響原因，提出采用補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的方法，對(duì)圍巖破碎段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

(2)通過(guò)對(duì)622進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)期間的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，622工作面進(jìn)風(fēng)順槽在掘進(jìn)期間幫部破壞較為嚴(yán)重，破壞順序是由巷道頂幫角先發(fā)生破壞，進(jìn)而巷道底板幫角發(fā)生破壞，整體而言，巷道的頂?shù)装迤茐默F(xiàn)象較小，應(yīng)力集中區(qū)域主要集中在巷道幫角位置，通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的方法對(duì)622進(jìn)風(fēng)順槽破碎段圍巖進(jìn)行支護(hù)可以在一定程度解決巷道圍巖破碎問(wèn)題。

(3)通過(guò)對(duì)原支護(hù)方案和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并在622工作面進(jìn)風(fēng)順槽破碎段內(nèi)布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，與未采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)前相比，采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施后，巷道頂板下沉量基本維持在213 mm左右，兩幫移進(jìn)量基本保持為215 mm左右，保證了巷道圍巖完整性。