深井高地應(yīng)力軟巖巷道底鼓機(jī)理及控制技術(shù)研究

張 鷹

（山西西山礦業(yè)管理公司，山西 太原 030053）

0 引言

據(jù)我國國家統(tǒng)計局統(tǒng)計可知，我國目前煤炭消耗量占據(jù)總消耗量的60%以上，在一次能源的消耗占比更是達(dá)到了70%，這無疑可以看出煤炭資源對于我國生產(chǎn)及生活的重要性。隨著我國提出可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，煤炭資源的開采量逐年降低，但由于其基數(shù)較大，在未來很久的時間段內(nèi)，煤炭資源的開采仍是我國賴以生存的重要依仗。在礦井開采過程中，巷道的穩(wěn)定性十分重要[1-2]，在回采巷道由于受到多重支撐壓力的擾動，使得礦壓顯現(xiàn)十分復(fù)雜，造成巷道的維護(hù)難度在增大，所以如何解決回采巷道超前支護(hù)的穩(wěn)定性成為了研究重點(diǎn)。此前眾多學(xué)者對其支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行過研究[3]，本文以狼窩渠礦23204 工作面為研究對象，針對其回采巷道超前支護(hù)的單體液壓支架支護(hù)效率低、支護(hù)強(qiáng)度大的問題，提出利用注漿錨索代替液壓支柱的支護(hù)方案，利用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐，驗(yàn)證了支護(hù)方案的可行性，為礦井安全高效開采提供依據(jù)。

1 礦井概況和數(shù)值模擬

狼窩渠礦位于陜西神木西北約55 km 處，井田面積為6.18 km2，設(shè)計生產(chǎn)能力為1.2 Mt/a，23204 工作面現(xiàn)采3#煤，煤層厚度2.4～2.88 m，平均厚度2.72 m，工作面地表相對位置位于二采區(qū)西部，西部為南北翼瓦斯聯(lián)絡(luò)巷，南部為23201 工作面（西部）（未掘進(jìn)），北部為23201（西部）綜采工作面（已回采），東部為本采區(qū)西副巷，對應(yīng)上方為2#煤層工作面采空區(qū)。煤層覆存較為穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)接單。煤層厚度3.6～4.6 m，平均厚度為4.2 m，煤層為近水平煤層。隨著礦井自動化、智能化采掘技術(shù)的不斷發(fā)展以及礦井巷道支護(hù)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，狼窩渠礦為有效控制巷道圍巖穩(wěn)定性設(shè)計在23204 工作面運(yùn)輸巷超前段采用注漿錨索替代液壓支柱超前支護(hù)的方案。煤層頂板及底板巖性特征表如表1 所示。

表1 煤層頂板及底板巖性特征表

在進(jìn)行開挖時，此時巷道圍巖的應(yīng)力進(jìn)行重新分布，采用高強(qiáng)度錨索對巷道圍巖進(jìn)行加固，減小煤巖的變形，首先對錨索在考慮地質(zhì)情況及模擬邊界效應(yīng)的基礎(chǔ)上，確定錨巖體的尺寸為20 m×10 m×20 m，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分采用粗劃分的方式，網(wǎng)格尺寸為0.2 m×0.1 m×0.2 m。模型采用摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則，在模型的下及左右邊界分別設(shè)定固定約束，在模型上端部施加均布荷載，根據(jù)埋深計算可得均布荷載為4.5 MPa，完成模型建立，對頂板注漿錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究，首先對不同錨索預(yù)應(yīng)力下巷道垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行研究，預(yù)應(yīng)力分別為100、150、200 kN，錨索尺寸為Φ21.8 mm×6 200 mm，間排距為1 800 mm×900 mm，模擬云圖如圖1 所示。

圖1 不同錨索預(yù)應(yīng)力下巷道垂直應(yīng)力分布云圖

由圖1 分析可知，當(dāng)錨索預(yù)緊力為100 kN 時，巷道頂板會發(fā)生行變并將應(yīng)力傳遞到整個錨索。并早巷道上覆巖層2.5 m 深度位置產(chǎn)生應(yīng)力重疊區(qū)，直接構(gòu)成支護(hù)承載結(jié)構(gòu)。在錨索的頂?shù)變啥?、以及巷道底板的壓?yīng)力集中區(qū)未能構(gòu)成有效的銜接，從而正在此位置的應(yīng)力值較小，應(yīng)力沒有產(chǎn)生重疊，難以形成有效的承載力，導(dǎo)致巷道圍巖控制不穩(wěn)定。而當(dāng)錨索預(yù)緊力為150 kN 及200 kN 時，此時隨著錨索預(yù)緊力的釋放，頂板深部一定范圍內(nèi)壓應(yīng)力疊加，構(gòu)成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)。在錨索底端與頂端的壓應(yīng)力形成貫穿，應(yīng)力疊加效果較好，此時能夠有效提升圍巖承載能力，支護(hù)效果較好。

通過以上分析可知，當(dāng)給錨索施加的預(yù)緊力≥150 kN 時，這個階段在巷道頂板巖層內(nèi)會產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的分布，使預(yù)緊力與巖層內(nèi)的預(yù)應(yīng)力形成有效重疊，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，降低由于巷道采掘所導(dǎo)致的巷道頂板拉應(yīng)力破壞。大幅提高巷道圍巖的穩(wěn)定性以及錨巖支護(hù)體承載力，改善圍巖的受力狀態(tài)，降低由于巷道頂板變形導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題。

對不同間排距下巷道垂直應(yīng)力分布進(jìn)行分析，預(yù)緊力為150 kN，間排距分別為1 200 mm×900 mm、1 800 mm×900 mm、1 800 mm×1 800 mm，垂直應(yīng)力分布云圖如圖2 所示。

從圖2 可以看出，當(dāng)錨索的間排距為1 200 mm×900 mm 時，此時能在頂板中產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力分布，巖層中的預(yù)應(yīng)力得到有效疊加，此時頂板巖層整體處于壓應(yīng)力區(qū)；而當(dāng)錨索間排距增大至1 800 mm×900 mm 時，此時巖層中的預(yù)應(yīng)力能夠有效疊加，同樣在頂板形成壓應(yīng)力區(qū)，此時產(chǎn)生的壓應(yīng)力區(qū)未見明顯縮減，巷道開挖后頂板的拉應(yīng)力破壞狀態(tài)得到改變。錨巖支護(hù)體承載結(jié)構(gòu)支護(hù)效果較好，巷道圍巖的承載能力大幅提升，同時減輕了頂板彎曲下沉對于煤柱體的影響，有效保證了巷道穩(wěn)定性。當(dāng)間排距擴(kuò)大到1 800 mm×1 800 mm 時，錨索兩段間的有效壓應(yīng)力區(qū)有了一定的減弱，對圍巖的錨固作用降低。所以確定最佳錨索間排距為1 800 mm×900 mm。

2 工業(yè)化實(shí)踐

對注漿錨索支護(hù)方案進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)，運(yùn)輸巷道的凈斷面尺寸為4 200 mm×4 000 mm，在原有支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，利用注漿錨索代替單體液壓支柱，使用1×8 股的注漿錨索對巷道進(jìn)行支護(hù)，錨索的尺寸為Φ21.8 mm×6 200 mm，間排距為1 800 mm×900 mm。并用厚度為3 mm，長度2 400 mm 的W 形鋼帶對注漿錨索進(jìn)行銜接，每跟錨索采用1 卷MSK2350 樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，并給錨索的施加150 kN 的預(yù)緊力，錨索的托盤使用300 mm×300 mm×16 mm 的鼓形托盤。在超前工作面30～50 m 的位置進(jìn)行錨索注漿支護(hù)，注漿壓力小于5 MPa。注漿錨索超前支護(hù)示意圖如圖3 所示。

圖3 注漿錨索超前支護(hù)示意圖（單位：mm）

如圖3 所示，在階段I 的位置使用注漿錨索搭配單體液壓支柱進(jìn)行超前聯(lián)合支護(hù)。單體液壓支柱每排三根，間排距1 200 mm×2 700 mm。在階段II 的范圍內(nèi)同樣采用單體液壓支柱和注漿錨索聯(lián)合的超前支護(hù)形式。單體液壓支柱的間排距設(shè)定為1 800 mm×2 700 mm。階段III 同樣為單體液壓支柱與注漿錨索。液壓支柱的間排距為2 700 mm×2 700 mm。階段Ⅳ的范圍內(nèi)取消單體支柱，單排2 根注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，每排錨索2 根。對注漿錨索的受力進(jìn)行監(jiān)測，錨索受力曲線如圖4 所示。

圖4 注漿錨索超前支護(hù)示意圖

如圖4 所示，在測站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ超前支護(hù)段，在距離回采面約40 m 的范圍內(nèi)時，受到采動的影響，使得Ⅰ號測站的1#和2#注漿錨索應(yīng)力有所增大，兩者分別由64 kN 和82 kN 增長到69 kN 和89 kN。Ⅱ號測站的1#注漿錨索呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，維持在70 kN，而2#注漿錨索的應(yīng)力由76 kN 增長至78kN。Ⅲ測站的1#和2#注漿錨索應(yīng)力幾乎不變，分別保持在70 kN和75 kN。對于Ⅳ號測站來說，在距回采面200～50 m的范圍時，1#和2#注漿錨索應(yīng)力保持基本穩(wěn)定，而在距回采面30 m 時，此時Ⅳ測站的1#和2#注漿錨索受力分別增大至81 kN 和92 kN，其中1#液壓枕的軸向載荷發(fā)生下降趨勢，這類現(xiàn)象是由于巷道表面的矸石受錨索與托盤的作用從而發(fā)生破碎，使得應(yīng)力釋放導(dǎo)致?？梢钥闯?，注漿錨索受力一直處理安全的范圍內(nèi)，受力最大值不超過100 kN，可以滿足礦井開采的需求，注漿錨索超前支撐方案可行。

3 結(jié)語

1）對不同錨索預(yù)應(yīng)力下巷道垂直應(yīng)力分布云圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)預(yù)應(yīng)力為150 kN 時錨索底端與頂端的壓應(yīng)力形成貫穿，應(yīng)力疊加效果好，巷道穩(wěn)定性好。

2）對不同錨索間排距下巷道垂直應(yīng)力分布云圖進(jìn)行分析，確定最佳間排距為1 800 mm×900 mm，此時形成穩(wěn)定的錨巖支護(hù)體承載結(jié)構(gòu)，圍巖性質(zhì)得到有效改善。

3）對模擬的最佳參數(shù)進(jìn)行工業(yè)化實(shí)踐，注漿錨索受力一直處理安全的范圍內(nèi)，受力最大值不超過100 kN，注漿支護(hù)方案可行。