深井動(dòng)壓誘導(dǎo)巷道變形支護(hù)技術(shù)研究

毛基騰

(安徽恒源煤電股份有限公司，安徽 淮南)

引言

隨著礦山開采規(guī)模和深度逐漸加大，我國(guó)諸多礦井逐漸進(jìn)入深部開采狀態(tài)[1-2]，而深井開采中又存在工作面接替緊張問(wèn)題，即上工作面采動(dòng)對(duì)下工作面影響尚未穩(wěn)定，則立即回采相鄰工作面，使上工作面殘余應(yīng)力與本工作面超前支撐壓力產(chǎn)生雙重疊加作用，從而引起巷道頂板變形劇烈、煤柱炸幫和嚴(yán)重底鼓等異常動(dòng)壓顯現(xiàn)等災(zāi)害事故[3-5]。因此，針對(duì)采動(dòng)誘導(dǎo)相鄰巷道圍巖發(fā)生災(zāi)害事故，提出安全支護(hù)加固方案具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外專家為此做出大量的實(shí)驗(yàn)，常青[6]采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段以“高強(qiáng)錨網(wǎng)索+噴漿”聯(lián)合支護(hù)的圍巖控制方案階段動(dòng)壓巷道圍巖變形嚴(yán)重難題。李海波[7]通過(guò)實(shí)施“高強(qiáng)度錨網(wǎng)索+噴漿”支護(hù)計(jì)劃，有效控制了巷道圍巖的破壞和變形，從而達(dá)到支護(hù)效果要求?？堤旎踇8]等通過(guò)數(shù)值模擬及理論分析手段，分析了下鄰回采巷道受采動(dòng)影響的圍巖變形規(guī)律，揭示了動(dòng)壓巷道圍巖變形破壞機(jī)理，提出了巷道長(zhǎng)錨索支護(hù)+短錨索補(bǔ)強(qiáng)+鋼帶聯(lián)合差異化控制的分?jǐn)嗝驽^索加固技術(shù)。楊文帥[9]為解決王家?guī)X煤礦12301 工作面回風(fēng)巷道頂板安全問(wèn)題，利用數(shù)值模擬進(jìn)行礦壓分析，并提出高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿索組合支護(hù)技術(shù)。

為此本文根據(jù)朱集西礦13501 工作面運(yùn)輸順槽為工程背景，利用FLAC3D 數(shù)值模擬分析13501 工作面順槽受下部工作面開采影響下的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)時(shí)空演化規(guī)律，并提出巷道支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)防控方案。

1 工程概況

13501 工作面為13-1 煤五采區(qū)首采工作面，工作面以傾斜長(zhǎng)壁方式布置，其中工作面長(zhǎng)為1 412 m，寬為205 m，煤厚為3.29～5.31 m，平均煤厚為3.86 m，煤層標(biāo)高在-984.3 m～881.0 m 之間，變異系數(shù)γ=23%，可采性指數(shù)K=1。13501 工作面位于11-2 煤11501、11502 的上方，其中，13-1 煤層的底部與11-2煤層的頂部之間的距離介于63.6～84.4 m 之間，兩者間平均距離為73.2 m。根據(jù)《朱集西礦井建井期間13-1 煤層突出危險(xiǎn)性評(píng)估》，礦井13-1 煤層具有突出危險(xiǎn)性。

11502 工作面寬211 m、長(zhǎng)1 320 m，目前11502工作面正在回采。11-2 煤層與上覆13-1 煤層間距63.6～84.4 m，平均間距73.2 m，11-2 煤層厚1.30～1.90 m，平均1.50 m，工作面煤巖層傾角為1°～9°，平均傾角7°。

由于13-1 煤工作面利用下解放層卸壓保護(hù)開采，一直都存在工作面接替緊張問(wèn)題，13501 工作面運(yùn)輸順槽在11502 工作面回采結(jié)束之后開始掘進(jìn)，受下覆11 煤工作面采動(dòng)影響相對(duì)較小，但13501 工作面運(yùn)輸順槽部分巷道位于11502 工作面停采線外，因煤柱上方受支承壓力作用，則該段巷道圍巖穩(wěn)定性較弱，見圖1。

圖1 工作面布置圖

2 11-2 煤層開采上覆巖層數(shù)值模擬分析

2.1 FLAC 數(shù)值模型建立

根據(jù)朱集西礦13501 工作面地質(zhì)采礦條件(各巖層基本參數(shù)見表1)，建立11502工作面回采結(jié)束后，對(duì)處于11501 工作面停產(chǎn)線煤柱上方的13501 軌道順槽造成疊加影響的FLAC3D 數(shù)值分析模型。設(shè)定回采工作面長(zhǎng)度為214 m，留設(shè)8 m 小煤柱。煤層邊界的長(zhǎng)度和寬度分別為102 m 和640 m。模型y 方向長(zhǎng)度和高度分別為900 m 和150 m，并且工作面沿y 軸正方向推進(jìn)，11-2 煤與13-1 煤垂直距離為70 m。根據(jù)礦井地質(zhì)資料設(shè)置模型x 向側(cè)壓系數(shù)1.4，y 向側(cè)壓系數(shù)0.75。建立模型見圖2。

表1 模型巖體力學(xué)參數(shù)

圖2 巷道開挖數(shù)值模型圖

2.2 11502 工作面回采應(yīng)力分析

由圖3 中可以看出，巷道開挖后，巷道周圍應(yīng)力重新分布，其中巷道兩幫出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且呈現(xiàn)出左右對(duì)稱的趨勢(shì)，最大值為38.3 MPa，可以看出在兩個(gè)支承壓力區(qū)的疊加影響下，巷道圍巖垂直應(yīng)力增大，集中體現(xiàn)在巷道兩幫的位置，這也是造成巷道底鼓量大的原因。

圖3 Z 軸垂直應(yīng)力分布圖

2.3 11502 回采工作面位移分析

圖4、圖5 分別為13501 軌道順槽巷道圍巖Z 和X 軸位移分布云圖，可以看出13501 軌道順槽巷道底板Z 軸表面位移為540 mm，頂板表面位移為310 mm；左幫圍巖水平位移最大值為334 mm 左右，巷道右?guī)蛧鷰r（靠近11502 工作面?zhèn)龋┧轿灰谱畲笾禐?28 mm 左右，從圖5 中可以明顯發(fā)現(xiàn)，在巷道肩窩和底角的地方變形量最大，且內(nèi)突成三角形，而且巷道右?guī)臀灰粕源笥谙锏雷髱偷奈灰啤？梢园l(fā)現(xiàn)若對(duì)錨桿(索)錨固力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則錨桿(索)不能對(duì)巷道圍巖起到主動(dòng)支護(hù)作用，巷道圍巖與錨桿索也不能形成一個(gè)完整的錨固體，就會(huì)造成巷道圍巖變形較大。

圖4 巷道圍巖Z 軸位移分布圖

圖5 巷道圍巖X 軸位移分布圖

3 13501 工作面順槽支護(hù)方案優(yōu)化及支護(hù)效果分析

3.1 13501 工作面順槽支護(hù)方案優(yōu)化

根據(jù)13501 工作面順槽支護(hù)初始設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)和信息反饋分析，采動(dòng)影響下13501 工作面軌道順槽變形嚴(yán)重，因此提出加強(qiáng)支護(hù)措施：補(bǔ)打中空注漿錨索。采用長(zhǎng)度為6 300 mm 的中空注漿錨索，錨索間排距為1.2 m×1.6 m，外露長(zhǎng)度150～250 mm，錨索張緊力不低于150 kN，每根錨索使用3 卷Z2850 型錨固劑。

3.2 礦壓監(jiān)測(cè)及護(hù)效果分析

從圖6 可以看出采用修正后的錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)方案后，6#頂板離層儀巷道頂板變形量大幅減小，淺部變形量由支護(hù)方案前的100 mm 左右變?yōu)?2 mm，深部變形量35 mm 左右變?yōu)?3 mm，而且巷道頂板變形在距離掘進(jìn)迎頭35 m 左右就趨于穩(wěn)定，頂板變形穩(wěn)定迎頭距減小。7#測(cè)點(diǎn)巷道頂板變形量很小，巷道頂板穩(wěn)定性得到有效控制。淺部基點(diǎn)變形量穩(wěn)定在8 mm，深部基點(diǎn)變形量穩(wěn)定在3 mm。

圖6 頂板離層量與掘進(jìn)迎頭距離關(guān)系圖

為了更加清晰的闡述采用修正錨網(wǎng)支護(hù)方案前后巷道頂板離層觀測(cè)數(shù)據(jù)變化，選取距離迎頭77 m 左右不同測(cè)點(diǎn)巷道頂板離層量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從圖7 可以看出，自5#與6#頂板離層儀采用修正錨網(wǎng)支護(hù)方案后，深部基點(diǎn)和淺部基點(diǎn)變形量顯著減小，巷道圍巖變形得到了有效控制。

圖7 距掘進(jìn)迎頭77 m 不同離層儀觀測(cè)數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

通過(guò)FLAC3D 數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)11502 回采導(dǎo)致13501 回風(fēng)順槽兩幫出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且呈現(xiàn)出左右對(duì)稱的趨勢(shì)，巷道垂直應(yīng)力出現(xiàn)增大現(xiàn)象，并且在巷道肩窩和底角的地方變形量最大，且內(nèi)突形成三角形。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)13501 工作面軌道順槽進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，提出“補(bǔ)打中空注漿錨索”加固技術(shù)方案。

采取加固技術(shù)方案后，通過(guò)對(duì)13501 回風(fēng)順槽頂板離層儀各項(xiàng)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化效果明顯，巷道圍巖變形得到了有效控制。