動壓影響下王坡煤礦復(fù)用巷道支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用

史杰博

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司）

近年來，國內(nèi)頂板事故呈現(xiàn)多發(fā)態(tài)勢，造成了大量的生命財(cái)產(chǎn)損失，頂板事故的發(fā)生主要與圍巖地質(zhì)條件、工程賦存環(huán)境、人為施工因素等有關(guān)［1-2］。為了減少復(fù)用巷道的維護(hù)量，保障采掘接替，國內(nèi)學(xué)者針對這類巷道開展了大量的研究。張志明［3］針對實(shí)體煤和斜跨梁結(jié)構(gòu)變形破壞特征，提出以中空注漿錨桿、中空注漿錨索為核心的錨注補(bǔ)強(qiáng)加固方案，應(yīng)該效果良好；賈勇強(qiáng)等［4］通過實(shí)測分析復(fù)用巷道變形破壞規(guī)律，提出圍巖協(xié)調(diào)支護(hù)理論，應(yīng)用新型注漿材料進(jìn)行二次注漿支護(hù)試驗(yàn)，巷道圍巖變形量減小了50%以上；郭相平［5］采用理論分析并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，針對復(fù)用巷道制定了高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)方案和支護(hù)參數(shù)，對受強(qiáng)烈采動影響巷道服務(wù)期間圍巖變形控制效果顯著。

王坡煤業(yè)屬高瓦斯礦井，為有效治理采空區(qū)瓦斯，采用綜放雙巷布置，利用相鄰工作面的順槽埋管抽采采空區(qū)瓦斯，所以相鄰巷道勢必會受回采工作面動壓破壞［6-8］。對復(fù)用巷道進(jìn)行注漿加固或各種形式的壓裂都將極大地增加采礦成本，為了盡量減少因動壓影響對工作面造成破壞，同時節(jié)約成本，從王坡煤業(yè)的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)出發(fā)，通過多形式的支護(hù)優(yōu)化方案，采用數(shù)值模擬進(jìn)行分析，從支護(hù)效果和成本兩方面優(yōu)化巷道支護(hù)形式與參數(shù)。

1 工程概況

1.1 動壓破壞巷道概況

王坡煤礦位于山西省晉城市澤州縣下村鎮(zhèn)，距晉城市約30 km，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3 000 kt/a，面積約為25.3 km2，井田內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，傾角平緩，煤層不自燃，煤塵無爆炸危險性，水文地質(zhì)類型中等，無沖擊地壓威脅，具有良好的開采技術(shù)條件。礦井采用放頂煤采煤法采煤，順槽沿煤層底板掘進(jìn)。3310回采工作面埋深為580～620 m，煤厚5.27 m，煤體松軟，周邊無采空區(qū)；布設(shè)3條巷道：3310回風(fēng)順槽、3310進(jìn)風(fēng)順槽和3308進(jìn)風(fēng)順槽，其中3308進(jìn)風(fēng)順槽除了服務(wù)于3310回采采空區(qū)瓦斯治理，還作為3308工作面的運(yùn)輸順槽使用，所以該巷道為復(fù)用巷道。3310工作面煤層頂?shù)装鍘r性和力學(xué)性質(zhì)見表1，煤層頂板為強(qiáng)度較低的復(fù)合頂。

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1.2 巷道支護(hù)現(xiàn)狀

目前王坡煤礦使用的錨桿絕大部分為20MnSi或25MnSi高強(qiáng)左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，桿體直徑以20、22 mm為主，長度以2 200、2 400 mm為主。其中22 mm直徑的錨桿屈服載荷為152 kN，破斷載荷為216 kN。這種高強(qiáng)錨桿在近幾年來是王坡煤礦巷道支護(hù)的主要材料。但隨著復(fù)用巷道的增多，單純的高強(qiáng)錨桿越來越不適應(yīng)巷道支護(hù)的要求，巷修工程量大，采掘銜接日益緊張。例如3312進(jìn)風(fēng)順槽受3314回采工作面動壓影響，巷道圍巖嚴(yán)重破壞，主要表現(xiàn)在近距離巷道變形量明顯加大，出現(xiàn)不同程度的錨桿被拉斷或剪斷的現(xiàn)象，最大水平位移量約30 mm，最大頂板下沉量約50 mm，最大底鼓量約50 mm，在復(fù)用3312進(jìn)風(fēng)順槽前進(jìn)行了大量的巷道維護(hù)作業(yè)，造成采掘進(jìn)度緩慢，嚴(yán)重影響礦井的正常采掘銜接。原有的錨桿支護(hù)系統(tǒng)很難適應(yīng)受動壓影響巷道支護(hù)需要，特別是巖層強(qiáng)度較低的復(fù)合頂條件下。

2 高預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)及模擬分析

2.1 支護(hù)方案優(yōu)化

研究表明，隨著錨桿密度增加，頂板下沉量逐漸減??；密度太小，圍巖變形得不到有效控制；當(dāng)錨桿密度增加到一定值，再加密錨桿，支護(hù)效果改善不明顯，造成支護(hù)材料的浪費(fèi)。通過錨桿間、排距，錨桿密度與頂板位移的關(guān)系，確定錨桿間排距在1 000 mm左右最合適；錨桿長度太短，使錨桿錨固區(qū)厚度過小，錨固體強(qiáng)度低，不能保證頂板穩(wěn)定；相反，如果錨桿長度增加到一定值后，再加長錨桿對錨固體強(qiáng)度已無明顯影響。因此，錨桿長度取值為2 000～2 400 mm是比較合理的［9］。錨索參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證錨索能將錨桿支護(hù)形成的次生承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，發(fā)揮深部圍巖的承載能力，提高次生承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過表1頂板巖層結(jié)構(gòu)可知，錨索需錨固在石英砂巖內(nèi)部，所以長度選取7 300 mm最為合適。通過以上分析，本次研究制定了4種支護(hù)優(yōu)化方案，見表2。

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2.2 數(shù)值模擬分析

采用數(shù)值模擬的方法，模擬不同支護(hù)方式下對巷道圍巖應(yīng)力、變形和塑性破壞區(qū)變化的影響，確定最優(yōu)支護(hù)方案?？紤]巷道在地層中所處的深度，地應(yīng)力邊界條件根據(jù)實(shí)際測量的結(jié)果進(jìn)行施加［10］。模型中煤巖體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)力學(xué)實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行施加，錨桿直徑為22 mm、長度為2 400 mm，錨索直徑為22 mm、長度為7 300 mm，以3308進(jìn)風(fēng)順槽斷面為模擬對象。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在采用支護(hù)方案1的情況下，巷道圍巖最大垂直應(yīng)力值為14.37 MPa，最大水平應(yīng)力值為22.71 MPa，垂直應(yīng)力主要分布于巷道的兩幫，水平應(yīng)力主要分布于巷道頂?shù)装逄?，巷道掘進(jìn)后的頂部垂直向下的最大位移量為14 mm，最大底鼓量為17 mm，最大水平位移量為17 mm；在采用支護(hù)方案2的情況下，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布于巷道頂?shù)装逄?，垂直向下的最大位移?5 mm。最大底鼓位移為17 mm。最大水平位移為17 mm；在采用支護(hù)方案3的情況下，頂部垂直向下的最大位移為16 mm。最大底鼓位移為19 mm。最大水平位移為17 mm；在采用支護(hù)方案4的情況下，垂直向下的最大位移為16 mm。最大底鼓位移為19 mm。最大水平位移為19 mm。

方案1對于控制頂板和底板變形較優(yōu)，方案2控制底板變形較優(yōu)，在控制側(cè)幫變形上前3種方案支護(hù)效果較優(yōu)，從控制巷道圍巖變形效果和經(jīng)濟(jì)成本兩方面綜合考慮，采用方案2較為合理。即錨桿直徑22 mm，長度2 400 mm，頂板錨桿間距950 mm，每排布置4根錨桿；幫錨桿間距1 100 mm，每排布置3根。錨桿排距為1 m；每排布置兩根錨索，錨索直徑22 mm，長度7 300 mm，間距為1.7 m，排距為2 m。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

選擇3308進(jìn)風(fēng)順槽為優(yōu)化支護(hù)試驗(yàn)巷道，采用方案2，統(tǒng)計(jì)巷道受采動壓力變形情況。巷道支護(hù)錨索采用高強(qiáng)度礦用鋼絞線錨索，配合配套的托盤和螺母等鎖具，采用專用支護(hù)施工機(jī)具沿中部垂直于頂板打設(shè)2根，排距1 700 mm，間距2 000 mm；錨桿采用專為王坡煤礦研制的強(qiáng)力鋼材左旋無縱筋螺紋鋼，達(dá)到超高強(qiáng)度級別，鋼的牌號為BHRB500，桿體直徑為22 mm，頂板支護(hù)時垂直巷道頂板打設(shè)4根。錨網(wǎng)網(wǎng)格為50 mm×50 mm，由10#鉛絲編織，鋼帶采用特質(zhì)材料的W型鋼帶；兩幫支護(hù)時錨桿垂直于巷幫每側(cè)打設(shè)3根，排距1 000 mm，間距1 100 mm，錨固方式采用樹脂錨固，錨固長度介于端部錨固和全長錨固之間。

3310回采工作面回采過程中在3308進(jìn)風(fēng)順槽內(nèi)建立3組表面位移觀測站，測站附近布置了巷道表面位移監(jiān)測測站，且在每個測站再布置2個頂板錨索測力計(jì)，通過測試錨索受力和巷道圍巖位移分布，現(xiàn)選擇2號測站收集的巷道表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖1）與受3314回采工作面動壓影響的3312進(jìn)風(fēng)順槽巷道表面位移（圖2）進(jìn)行比對。

從監(jiān)測曲線可以看出，原支護(hù)方式巷道表面位移、兩幫收斂及頂?shù)装逑鲁磷畲笥^測值達(dá)到了49 mm，支護(hù)方案2巷道表面位移、兩幫收斂及頂?shù)装逑鲁磷畲笥^測值為18 mm，巷道變形破壞程度減小了50%以上，較好地保持了圍巖在受動壓影響下的長期穩(wěn)定，支護(hù)效果十分顯著。

4 結(jié) 語

復(fù)用巷道破壞變形主要是受相鄰工作面的動壓影響，通過數(shù)值模擬從經(jīng)濟(jì)角度和安全角度選取了最佳支護(hù)優(yōu)化方案，并通過現(xiàn)場應(yīng)用，礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示采用優(yōu)化的支護(hù)方案是合理的，有效減小了巷道破壞變形程度。