燕子山礦大斷面壓力區(qū)切眼巷道支護(hù)設(shè)計(jì)研究

劉志強(qiáng)，趙 靜

(1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 燕子山礦，山西 大同 037100； 2.晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 煤峪口礦，山西 大同 037100)

切眼作為煤礦開(kāi)采重要組成部分，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨著煤礦開(kāi)采水平的提高，一些大型的綜采設(shè)備在煤礦的應(yīng)用也更加的普遍化，為了滿(mǎn)足需求，煤礦大斷面的切眼工作面由此產(chǎn)生。切眼工作面的安全掘進(jìn)，根據(jù)地質(zhì)條件，優(yōu)先考慮二次掘進(jìn)成巷法，保證人員設(shè)備的安全。工作面的巷道支護(hù)效果達(dá)標(biāo)，對(duì)后續(xù)的綜采設(shè)備的安裝，順利高效的回采具有重要的意義。許多學(xué)者對(duì)開(kāi)切眼的巷道支護(hù)、圍巖的穩(wěn)定性做了研究，例如董飛[1]針對(duì)常村煤礦2105工作面遇到的支護(hù)困難、圍巖變形破壞嚴(yán)重等問(wèn)題，通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，確定了大斷面切眼分兩次掘進(jìn)成巷的技術(shù)方案，提出合理的支護(hù)參數(shù)；高鴻宇等[2]針對(duì)大同塔山煤礦8102工作面開(kāi)切眼，通過(guò)無(wú)支護(hù)條件下 FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)開(kāi)切眼圍巖應(yīng)力分布、變形破壞特征進(jìn)行了分析；夏彬偉等[3]利用 FLAC3D數(shù)值模擬軟件，針對(duì)同忻煤礦某工作面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，獲取的圍巖垂向位移曲線(xiàn)能有效判斷“三帶”范圍及分界線(xiàn)，監(jiān)測(cè)的支架壓力驗(yàn)證了周期來(lái)壓與來(lái)壓步距；吳昕[4]針對(duì)平煤四礦 19070 工作面開(kāi)切眼，通過(guò)理論計(jì)算底板破壞深度，確定頂板完整性，從圍巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度、巷道支護(hù)等方面確定了一次成巷的可行性；楊光榮[5]以李家豪礦12018工作面開(kāi)切眼為背景，系統(tǒng)研究了大斷面開(kāi)切眼支護(hù)體變形特征、垮落機(jī)理、垮落危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測(cè)方法、預(yù)測(cè)指標(biāo)體系和關(guān)鍵指標(biāo)拾取技術(shù)；張向東等[6]對(duì)二次掘進(jìn)下大跨度開(kāi)切眼的巷道支護(hù)的數(shù)值模擬進(jìn)行分析，以南陽(yáng)坡煤礦8702工作面為研究對(duì)象，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析切眼在二次開(kāi)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力、位移量的變化規(guī)律。

借鑒學(xué)者對(duì)煤礦切眼的大量經(jīng)驗(yàn)，以燕子山煤礦8212切眼工作面為工程背景，通過(guò)優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)錨桿軸力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，與數(shù)值模擬軟件模擬巷道在有無(wú)支護(hù)條件下的圍巖支護(hù)效果，調(diào)整支護(hù)設(shè)計(jì)方案，提出錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。根據(jù)工程在切眼工作面上覆采空區(qū)和煤柱壓力的實(shí)際情況下，防止大斷面巷道發(fā)生冒落，采用二次掘進(jìn)成巷法，大斷面開(kāi)切眼第一次掘進(jìn)貫通后，頂板的應(yīng)力場(chǎng)重新分布，達(dá)到平衡狀態(tài)，切眼巷道第二次擴(kuò)幫時(shí)，巷道中間已經(jīng)架設(shè)木垛，使得大斷面在第二次擴(kuò)幫時(shí)的頂板圍巖應(yīng)力變化很小，驗(yàn)證了支護(hù)方案的可行性。為燕子山礦在石炭系煤層相同的地質(zhì)情況下提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，更加系統(tǒng)的補(bǔ)充相關(guān)數(shù)字化資料。

1 工程概況

8212切眼工作面位于燕子山礦C3煤層302盤(pán)區(qū)，為了綜采設(shè)備的穩(wěn)裝，切眼工作面設(shè)計(jì)為矩形斷面，長(zhǎng)163 m，寬8.5 m，高3.3 m，凈斷面28.05 m2。一般巷道斷面達(dá)到16.5 m2就屬于大斷面巷道。8212工作面切巷屬于典型的超大斷面巷道，其中機(jī)組壁龕處斷面達(dá)到10.5 m，長(zhǎng)達(dá)18 m，大斷面巷道一般圍巖的穩(wěn)定性較差。在過(guò)煤柱壓力區(qū)時(shí)，壓力較強(qiáng)烈，C3煤層8212切眼工作面內(nèi)預(yù)計(jì)無(wú)大斷層、陷落柱的存在，且?guī)r漿巖侵入的可能性甚??；依據(jù)相鄰8214工作面掘進(jìn)情況分析，預(yù)計(jì)8212工作面可能會(huì)揭露3條落差介于0.8～2.0 m的正斷層，導(dǎo)水可能性不大。8212切眼位置如圖1所示。

圖1 8212切眼位置示意Fig.1 8212 cutting position diagram

8212切眼工作面頂?shù)装逄卣饕?jiàn)表1，切巷掘進(jìn)時(shí)，工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有2至5層0.07～0.61 m的夾石，煤層平均厚度為 5.36 m，屬厚煤層；煤厚變異系數(shù)為16.9%，系穩(wěn)定煤層；煤層大致走向東西，傾向東，傾角為1°～3°。通過(guò)分析切巷的地質(zhì)條件可以為后期的支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)[7-10]。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTab.1 Roof and floor of coal seam

2 ABAQUS數(shù)值模擬分析

在大跨度、掘進(jìn)工作面比較長(zhǎng)、地質(zhì)條件比較復(fù)雜的情況下，通過(guò)數(shù)值模擬可以直觀地模擬切眼工作面的變化，數(shù)值模擬在分析切眼巷道支護(hù)得到大量的應(yīng)用。為了保證開(kāi)切眼工作面的安全性和穩(wěn)定性，針對(duì)8212切巷工作面的巷道支護(hù)情況，利用ABAQUS軟件模擬巷道圍巖垂直應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，二維網(wǎng)格劃分切巷工作面，分析切巷在第1次掘進(jìn)頂板及兩幫支護(hù)受力，刷開(kāi)擴(kuò)幫之后巷道頂板圍巖應(yīng)力—應(yīng)變及破壞特性。

2.1 數(shù)值模擬的建立

數(shù)值模擬本身就是運(yùn)用真實(shí)的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬軟件反映實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，為了達(dá)到模擬結(jié)果的真實(shí)有效性，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地勘探抽取巖體樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)獲取第一手資料[11-13]。

表2 巖石物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parameters of rock

切眼巷道尺寸為8.5 m×3.3 m×163.0 m，巷道分2次掘進(jìn)，第1次按4.8 m×3.3 m掘進(jìn)貫通，二次擴(kuò)幫按3.7 m×3.3 m掘進(jìn)支護(hù)，直至切眼巷道擴(kuò)切完成。為了滿(mǎn)足頂板破碎圍巖應(yīng)力變化，采用切眼巷道10倍比例二維模型尺寸進(jìn)行模擬。切巷模型尺寸48 m×33 m、37 m×33 m、85 m×33 m，錨索選用長(zhǎng)83、63 m，錨桿選用長(zhǎng)24、17 m。模型彈性模量0.464 GPa、泊松比0.3，地應(yīng)力-20 kN/m3，頂部施加10.3 MPa的豎向應(yīng)力。掘進(jìn)時(shí)采用短掘短支的支護(hù)方式，選擇四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元作為單元類(lèi)型，由于需要精確模擬支護(hù)單元的彎曲變形模式，需要重新定義相關(guān)支護(hù)單元的彈性模量和泊松比，采用CPE4單元。

2.2 數(shù)值模擬分析

切眼巷道在掘進(jìn)煤柱壓力區(qū)時(shí)，壓力較明顯，巷道頂板上部的應(yīng)力場(chǎng)受到較大破壞，頂板巖層應(yīng)力一部分向下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)ABAQUS數(shù)值模擬切眼巷道在無(wú)支護(hù)條件下垂直圍巖應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D[14-15]，如圖2所示。根據(jù)第1次掘進(jìn)后切眼巷道圍巖垂直應(yīng)力模擬，切眼巷道在貫通之后進(jìn)行二次擴(kuò)幫(圖3)，受到二次擴(kuò)幫采動(dòng)影響，巷道頂部壓力會(huì)增大，頂板有一定的位移量，模擬頂部施加地應(yīng)力。

圖2 垂直圍巖應(yīng)力、應(yīng)變(一)Fig.2 Stress and strain diagram of vertical surrounding rock(Ⅰ)

圖3 垂直圍巖應(yīng)力、應(yīng)變(二)Fig.3 Stress and strain diagram of vertical surrounding rock (Ⅱ)

2.3 切眼巷道支護(hù)條件下數(shù)值模擬分析

開(kāi)切眼支護(hù)條件下切眼巷道垂直圍巖應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)鐖D4所示，全斷面支護(hù)條件下切眼巷道垂直圍巖應(yīng)力、應(yīng)變圖如圖5所示。通過(guò)數(shù)值模擬分析，切眼巷道在掘進(jìn)時(shí)，破壞了頂板上部的應(yīng)力場(chǎng)，應(yīng)力得到釋放，采用長(zhǎng)錨索支護(hù)使得圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

圖4 圍巖應(yīng)力、應(yīng)變(三)Fig.4 Stress and strain diagram of vertical surrounding rock(Ⅲ)

3 優(yōu)化開(kāi)切眼支護(hù)設(shè)計(jì)方案

基于ABAQUS數(shù)值模擬對(duì)切眼巷道的分析，根據(jù)《燕子礦C3煤層302盤(pán)區(qū)8212工作面掘進(jìn)地質(zhì)說(shuō)明書(shū)》煤層頂、底板情況分析，中部上覆煤柱、采空區(qū)，受到8214回采巷道的影響，保證頂板的破碎和圍巖的穩(wěn)定性。

圖5 垂直圍巖應(yīng)力、應(yīng)變(四)Fig.5 Stress and strain diagram of vertical surrounding rock(Ⅳ)

8212切眼工作面采用二次成巷的方法，從輔助運(yùn)輸5212巷開(kāi)始掘進(jìn)開(kāi)切眼，首先選擇離工作面的一側(cè)(古塘側(cè))掘進(jìn)寬4.8 m，高3.3 m進(jìn)行貫通，采用短掘短支的支護(hù)方法，過(guò)煤柱壓力區(qū)時(shí)鋼帶斷裂應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案。第2次刷開(kāi)擴(kuò)幫時(shí)，離工作面近的一側(cè)(回采面)進(jìn)行掘進(jìn)寬3.7 m，高3.3 m，提前支木垛的方法保證頂板的安全，過(guò)煤柱壓力區(qū)時(shí)，有冒頂?shù)奈ｋU(xiǎn)，采用0.8 m的間排距進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，過(guò)煤柱壓力區(qū)后再采用1.0 m的間排距，保證順利掘進(jìn)、人員的安全及設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案，在局部頂板破碎的情況下，頂板下沉的位移量、圍巖的穩(wěn)定性能夠控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，充分調(diào)動(dòng)巷道圍巖的自承載能力和增加被動(dòng)的支護(hù)得以充分調(diào)動(dòng)，有效保障了切眼巷道大跨度下的穩(wěn)定[16-18]。

4 過(guò)壓力區(qū)的支護(hù)方案

頂板采用φ20 mm×2 400 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1.0 m×1.0 m，在過(guò)壓力加強(qiáng)區(qū)時(shí)間排距改為0.8 m×1.0 m，W鋼帶為BHW-220-3型號(hào)，規(guī)格為4 500 mm×230 mm×3 mm，采用1支MSCKa2360型樹(shù)脂藥卷錨固。錨索采用低松弛鋼絞線(xiàn)φ17.8 mm×6 300 mm，間排距為2.0 m×1.5 m，在過(guò)壓力區(qū)時(shí)，間排距改為1.6 m×1.5 m，鋼板托盤(pán)規(guī)格為250 mm×250 mm×16 mm，錨索組采用低松弛鋼絞線(xiàn)φ17.8 mm×8 300 mm，鋼板托盤(pán)規(guī)格為600 mm×600 mm×16 mm，3花布置，間距為4 m，在過(guò)壓力區(qū)時(shí)，錨索組布置4排，間距3.2 m，排距1.5 m，距兩幫2.0 m采用1支MSCKa2360、1支MSZ2360型樹(shù)脂藥卷錨固。

護(hù)幫采用φ18 mm×1 700 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，采用0.45 m短鋼帶，托盤(pán)規(guī)格110 mm×110 mm×8 mm，在過(guò)壓力區(qū)時(shí)，古塘側(cè)護(hù)幫間距變?yōu)?00 mm，工作面?zhèn)葞烷g距變?yōu)?.0 m,采用1支MSCKa2360型樹(shù)脂藥卷錨固。過(guò)壓力區(qū)時(shí)8212切巷支護(hù)斷面如圖6所示，過(guò)壓力區(qū)時(shí)8212切巷支護(hù)平面如圖7所示。

圖6 過(guò)壓力區(qū)時(shí)8212切巷支護(hù)斷面Fig.6 Cross section of 8212 cut roadway supporting when passing through pressure area

圖7 過(guò)壓力區(qū)時(shí)8212切巷支護(hù)平面Fig.7 8212 roadway cutting supporting plan when passing through pressure area

從5212巷沿古塘側(cè)進(jìn)行掘進(jìn)貫通，剛掘進(jìn)到壓力區(qū)時(shí)，出現(xiàn)鋼帶斷裂并伴有聲響，及時(shí)調(diào)整了支護(hù)方案，對(duì)存在安全隱患的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，在沿回采區(qū)進(jìn)行擴(kuò)幫掘進(jìn)通過(guò)壓力區(qū)時(shí)，同樣調(diào)整了支護(hù)方案，有效保證了圍巖的穩(wěn)定性，控制了壓力區(qū)的頂板下沉，達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 切巷動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

正常掘進(jìn)后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件實(shí)施優(yōu)化后的支護(hù)方案，通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析切巷安全系數(shù)，提高支護(hù)質(zhì)量，為8212工作面的順利回采保駕護(hù)航?；贏BAQUS數(shù)值模擬分析，刷開(kāi)切眼擴(kuò)幫后頂板的變形量較大，因此要重點(diǎn)觀測(cè)擴(kuò)幫該位置的監(jiān)測(cè)。采用礦用本安型錨桿應(yīng)力數(shù)據(jù)采集器，6個(gè)錨桿軸力采集器均勻分布在煤柱壓力區(qū)51號(hào)鋼帶和80號(hào)鋼帶之間，監(jiān)測(cè)錨桿軸力，分析圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化。將專(zhuān)用錨桿采集器的應(yīng)力數(shù)據(jù)上傳到KJ947煤礦頂板與沖擊地壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1.0，分析錨桿受到圍巖的變化情況，總結(jié)圍巖在趨于穩(wěn)定平衡狀態(tài)規(guī)律，切巷頂板專(zhuān)用錨桿采集器如圖8所示，切巷錨桿軸力變化時(shí)間曲線(xiàn)如圖9所示。

圖8 切巷頂板專(zhuān)用錨桿采集器Fig.8 Special bolt collector for cutting roadway roof

圖9 切巷錨桿軸力變化Fig.9 Time chart of bolt axial force change in cut roadway

通過(guò)監(jiān)測(cè)專(zhuān)用錨桿軸力，可以充分反映頂板圍巖穩(wěn)定性的變化，由最初的開(kāi)切眼貫通到擴(kuò)幫時(shí)，壓力區(qū)的軸力圖變化最為明顯，最后的擴(kuò)幫掘進(jìn)完成后，錨桿軸力趨于穩(wěn)定，說(shuō)明切眼巷道支護(hù)有效遏制了頂板的下沉，過(guò)煤柱壓力區(qū)時(shí)，8212切眼支護(hù)設(shè)計(jì)是最優(yōu)的方案。

6 結(jié)論

針對(duì)燕子山礦C3煤層302盤(pán)區(qū)8212切眼工作面，通過(guò)使用錨桿、錨索、W鋼帶、JW鋼帶、金屬網(wǎng)和錨索組聯(lián)合支護(hù)，有效控制圍巖應(yīng)力，使得圍巖變形得以控制，切巷圍巖控制關(guān)鍵在于控制頂煤層彎曲下沉、裂隙擴(kuò)展以及片幫，已達(dá)到保持頂煤自承能力，維護(hù)頂煤及兩幫的穩(wěn)定性。

(1)采用二次成巷法，分階段的使圍巖通過(guò)支護(hù)達(dá)到穩(wěn)定，可以防止大斷面切眼巷道在一次性開(kāi)采掘進(jìn)方法圍巖迅速失穩(wěn)的現(xiàn)象。

(2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，在過(guò)煤柱壓力區(qū)時(shí)，采用錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)優(yōu)化方案控制的圍巖變形與數(shù)值模擬的結(jié)果基本相似，證明了該支護(hù)方案在該地質(zhì)情況下的可行性。