上社煤礦9304進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

石晉鋒

(陽泉市上社煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045100)

1 工程概況

陽泉市上社煤炭有限責(zé)任公司(上社煤礦)位于盂縣南婁鎮(zhèn)北上社村南，開采位于上石炭統(tǒng)太原組上部的9號(hào)煤層，煤層厚度1.5～4.2 m，平均3.1 m，煤層傾向152°，傾角6～8°，平均7°.煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，含0～2層泥巖夾矸，夾矸厚度0～2.3 m.煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，屬于無自然發(fā)火煤塵。9304工作面地表位于北上社村對(duì)面丘陵地帶，地面無建筑物。其井下位于9號(hào)煤西區(qū)，東面是3條開拓大巷及9號(hào)西回風(fēng)及運(yùn)輸巷，北面為9306工作面，南部為實(shí)體煤，西面為礦界。9304進(jìn)風(fēng)巷用于9304工作面掘進(jìn)期間的進(jìn)風(fēng)、運(yùn)料、行人等。巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 743 m，預(yù)計(jì)服務(wù)年限5 a.巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面寬5.0 m，掘進(jìn)斷面高3.1 m，掘進(jìn)斷面面積15.5 m2.巷道地面標(biāo)高1 160～1 270 m，井下標(biāo)高860～930 m,煤層頂?shù)装鍘r性分布見表1.

表1 煤層頂?shù)装鍘r性分布

2 9304原有支護(hù)方案及支護(hù)效果

2.1 原支護(hù)方案

9304進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)寬5 000 mm，凈寬4 800 mm，掘進(jìn)高3 100 mm，凈高3 000 mm，巷道采用M鋼帶、錨桿、錨索、菱形網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。頂幫錨桿采用D20 mm×L2 400 mm的螺紋鋼，配套300 mm×160 mm×10 mm的鋼托板，外露20～50 mm.頂錨索采用D17.8 mm、1×7股結(jié)構(gòu)鋼絞線，配套專用的錨索鎖具，總長(zhǎng)度7.2 m，外露150～250 mm.頂錨桿間排距700 mm×900 mm，幫錨桿間排距800 mm×900 mm.頂錨索布置在每排M鋼帶第2、4、6眼上，頂板及兩幫同排錨桿錨索由M鋼帶聯(lián)結(jié)，巷道鋪設(shè)菱形網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格5.0 m×1.2 m.具體支護(hù)如圖1所示。原方案D17.8 mm的錨索預(yù)緊力不小于160 kN，錨桿預(yù)緊力不小于120 N·m，原支護(hù)方案見圖1.

2.2 同類巷道井下調(diào)研與分析

調(diào)研9號(hào)煤層同類型巷道礦壓顯現(xiàn)情況，結(jié)果如下：9306進(jìn)風(fēng)巷：9306工作面正在回采，巷道超前影響不明顯，巷道變形不大。巷道超前段個(gè)別鋼帶之間頂板破碎、下沉；兩幫出現(xiàn)少量鼓包和片幫，巷道斷面收縮不嚴(yán)重?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，巷道支護(hù)強(qiáng)度稍大，但支護(hù)系統(tǒng)剛度較低，錨桿、錨索預(yù)緊力都較低。另外，支護(hù)構(gòu)件和支護(hù)參數(shù)不合理，支護(hù)系統(tǒng)的護(hù)表擴(kuò)散效果較差，導(dǎo)致巷道部分鼓包變形，見圖2.

圖2 同類巷道礦壓特征

9304進(jìn)風(fēng)巷埋深約300 m，巷道圍巖條件相對(duì)較好，煤層為中厚煤層，煤體完整性和強(qiáng)度相對(duì)較好，巷道受力條件簡(jiǎn)單。9304進(jìn)風(fēng)巷自掘進(jìn)至工作面開采完，巷道圍巖將受到本巷道掘進(jìn)的動(dòng)壓影響、鄰近工作面回采的動(dòng)壓影響、本工作面回采的動(dòng)壓影響[1]，巷道動(dòng)壓影響與地質(zhì)條件、煤柱尺寸等因素有關(guān)，需綜合考慮。由于現(xiàn)有支護(hù)存在支護(hù)系統(tǒng)預(yù)緊力偏低，支護(hù)參數(shù)不合理、支護(hù)材料不匹配等問題，可對(duì)該巷道進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化，并對(duì)合理煤柱寬度進(jìn)行分析，從而在保證巷道支護(hù)效果前提下，降低巷道支護(hù)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高巷道支護(hù)的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性。

3 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在9304進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)頭附近進(jìn)行了頂板及兩幫鉆孔窺視實(shí)驗(yàn)，根據(jù)圍巖裂隙發(fā)育情況得到頂板巖層塑性破壞深度約為1.39 m、實(shí)體煤幫1.32 m、煤柱側(cè)1.51 m.錨桿采用Z2360樹脂錨固劑，錨固長(zhǎng)度0.6 m.根據(jù)擠壓加固拱理論，錨桿長(zhǎng)度為錨固長(zhǎng)度、塑性破壞深度、外露長(zhǎng)度之和，外露長(zhǎng)度按0.1 m考慮，則頂板錨桿需大于2.12 m，幫部錨桿需大于2.21 m，因此頂、幫錨桿長(zhǎng)度為2 400 mm時(shí)較合理。錨桿間排距的計(jì)算公式[2]為：

(1)

式中：b為加固拱厚度，即發(fā)生塑性破壞煤巖體深度(頂板取1.4 m)；L為錨桿有效長(zhǎng)度，錨桿總長(zhǎng)度減去其外露長(zhǎng)度為2.3 m；α為錨桿在破碎煤巖體中的控制角，取45°；a1為錨桿間距，則頂板錨桿間距為0.90 m.結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，設(shè)計(jì)頂板及兩幫錨桿間排距為0.9 m×1.0 m.

根據(jù)懸吊理論,錨索長(zhǎng)度為錨固長(zhǎng)度、需懸吊巖層厚度、外露長(zhǎng)度之和，錨固長(zhǎng)度1.6 m，軟弱巖層厚度2.4 m，外露長(zhǎng)度0.3 m，因此錨索長(zhǎng)度應(yīng)不小于4.3 m.結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定頂板錨索長(zhǎng)度為6.2 m.頂板錨索的間排距可根據(jù)其懸吊巖石的重量來設(shè)計(jì)，錨索懸吊巖石載荷為塑性破壞巖層厚度與巷道寬度、容重的乘積，頂板塑性破壞深度1.4 m，巷寬5.0 m，容重取25 kN/m，則頂板需懸吊巖層的重量為175 kN/m.通過在9304進(jìn)風(fēng)巷開口端附近進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，錨桿錨固力均值100 kN，錨索錨固力均值235 kN，則錨索排距[3]計(jì)算公式見式(2)：

(2)

式中：Q為頂板錨索錨固力；K為安全系數(shù)錨索安全,取1.5；G為懸吊巖層的重量減去錨桿的錨固力，75 kN/m.則錨索排距b應(yīng)小于2.09 m，因此結(jié)合頂板錨桿布置形式，設(shè)計(jì)錨索間排距為1.8 m×2.0 m.綜上分析計(jì)算，確定9304進(jìn)風(fēng)巷優(yōu)化支護(hù)方案如圖3所示。

4 合理煤柱寬度優(yōu)化研究

護(hù)巷煤柱的寬度對(duì)于巷道圍巖穩(wěn)定性具有重要影響，依據(jù)9304進(jìn)風(fēng)巷具體地質(zhì)及開采技術(shù)條件，采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬研究[4]，模型的長(zhǎng)×寬×高=210 m×20 m×92 m，共劃分68 700個(gè)單元和56 784個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型上部采用應(yīng)力邊界條件，模型下表面及兩側(cè)設(shè)置位移約束條件，模型邊界條件如圖4(a)所示。模擬9304進(jìn)風(fēng)巷在受到9306工作面動(dòng)壓影響時(shí)巷道圍巖的變形，其中9304進(jìn)風(fēng)巷到9306回風(fēng)巷煤柱凈尺寸在3～10 m間變化，整理得到鄰近9306工作面回采后巷道表面的位移變化如圖4(b)所示。

由圖4(b)可知，不同護(hù)巷煤柱寬度條件下，巷道頂板和兩幫變形量出現(xiàn)明顯的差異，護(hù)巷煤柱寬度在3～6 m間變化，巷道表面變形量逐漸增大，當(dāng)煤柱為7 m時(shí)，相對(duì)于煤柱寬度6 m，僅頂板變形量明顯增大；煤柱寬度為8 m、9 m、10 m，表面變形量相對(duì)于7 m煤柱寬度條件下無明顯變化。可知，當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度大于7 m時(shí)，圍巖已形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，鄰近工作面采動(dòng)影響威脅較弱。上社煤礦屬高瓦斯礦井，區(qū)段煤柱需起到隔斷采空區(qū)瓦斯的作用，綜合考慮采出率等因素，確定護(hù)巷煤柱寬度為8 m.

5 應(yīng)用效果分析

上社煤礦9304進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)采用上述優(yōu)化支護(hù)方案，且留設(shè)8 m的護(hù)巷煤柱，支護(hù)完成后現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖5(a)所示。掘巷階段圍巖整體穩(wěn)定，表面未出現(xiàn)明顯的變形破壞，支護(hù)效果良好。9304工作面投入生產(chǎn)后，監(jiān)測(cè)巷道表面位移情況，整理得到圖5(b)所示結(jié)果。頂板下沉量最大值為253 mm，煤柱幫最大片幫量95 mm，實(shí)體煤幫76 mm，最大底鼓量59 mm，巷道表面整體變形量較小，圍巖控制效果良好，能夠滿足工作面的正常生產(chǎn)。

6 結(jié) 語

通過對(duì)上社煤礦9號(hào)煤層回采巷道現(xiàn)有支護(hù)方式的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)支護(hù)存在支護(hù)參數(shù)不合理、支護(hù)材料不匹配等問題。結(jié)合9304進(jìn)風(fēng)巷具體地質(zhì)條件，通過擠壓拱理論確定錨桿間排距為0.9 m×1.0 m；通過懸吊理論優(yōu)化頂板錨索長(zhǎng)度為6.2 m，錨索間排距為1.8 m×2.0 m；通過數(shù)值模擬研究將護(hù)巷煤柱寬度優(yōu)化為8.0 m.

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，巷道圍巖整體穩(wěn)定，能夠保障工作面的安全生產(chǎn)，優(yōu)化后的支護(hù)方案取得了良好的應(yīng)用效果。