劉新河 趙天佑 崔石磊 于海洋

(河北工程大學(xué),河北省邯鄲市,056038)

大斷面矩形煤巷在頂板較穩(wěn)定、煤層和底板相對較軟的情況下,易導(dǎo)致煤巷片幫,造成空幫掉頂,底板鼓起、巷道變形嚴(yán)重。采用錨桿掛網(wǎng)支護(hù)的巷道,由于煤幫松動脫落,錨桿外露失去控幫能力,必須進(jìn)行二次架棚支護(hù)。架棚巷道,由于采用被動支護(hù),煤幫松動,會引起棚子歪斜,應(yīng)力集中,將棚腿、棚梁壓彎失去控幫控頂能力,以致一條巷道在服務(wù)期內(nèi)需要進(jìn)行多次翻修。分析其中原因:一是巷道形狀和規(guī)格設(shè)計不合理,不利于巷道周邊圍巖支撐壓力均衡,造成應(yīng)力集中較高,松軟底板受擠壓較大;二是巷道支護(hù)不及時,使圍巖失去應(yīng)有的支撐能力。通過采用相似材料模擬研究和數(shù)值模擬計算,并結(jié)合長期的實踐觀察,確定合理大斷面煤巷的斷面形狀和巷道腰線寬與巷高的比,以及錨桿支護(hù)參數(shù),將此研究結(jié)果在中平能化三環(huán)公司5#煤層采區(qū)下山大斷面煤巷進(jìn)行試驗,取得了較好效果。

1 煤層概況

平煤神馬能源化工集團(tuán)三環(huán)公司開采的5#煤層賦存較穩(wěn)定,平均煤厚2.8 m,煤層傾角12°,煤層普氏硬度系數(shù)f=1.2～1.5,煤層直接頂板為石灰?guī)r,平均厚度4.0 m,較穩(wěn)定,局部受構(gòu)造影響,裂隙發(fā)育,常造成局部冒頂,煤層直接底為灰白色厚層狀泥砂巖。

2 矩形巷道應(yīng)力分布特點(diǎn)

通過相似材料模擬和數(shù)值計算,矩形巷道圍巖應(yīng)力分布具有如下特點(diǎn)。

(1)頂板中點(diǎn)水平應(yīng)力在周邊附近為拉應(yīng)力,沿頂板中心線向上,拉應(yīng)力逐漸減小,并轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力,到頂板上面壓應(yīng)力最大,趨近于原巖應(yīng)力。壓應(yīng)力分布均勻、范圍大,集中程度低。

(2)底板表面中點(diǎn)應(yīng)力較小,往內(nèi)部逐漸增大,最大值稍大于原巖應(yīng)力。

(3)兩幫中點(diǎn)拉應(yīng)力最大,隨兩幫高度增大而增大,集中系數(shù)較高。但隨巷道高寬比接近巷道側(cè)應(yīng)力系數(shù),兩幫中點(diǎn)不出現(xiàn)拉應(yīng)力,只有壓應(yīng)力,而且集中程度較小。

(4)兩幫與頂板夾角處切應(yīng)力最大,越往下越小,到底板夾角處接近于零,如圖1所示。

圖1 矩形煤巷周邊應(yīng)力分布示意圖

原巷道斷面為矩形,由于巷道所處圍巖的特點(diǎn)及圍巖受集中應(yīng)力的作用,經(jīng)過一段時間后,巷道形狀如圖2所示。

圖2 矩形巷道煤壁片幫后的斷面形狀

研究表明:巷道側(cè)壓系數(shù)沿巷幫并不是均勻分布的,而是從上向下由大到小近似呈斜直線分布,倒梯形巷道腰線寬與高的比最接近于側(cè)壓系數(shù),因而巷道周邊的應(yīng)力集中系數(shù)最低,最有利于巷幫穩(wěn)定;同時巷道周邊應(yīng)力集中程度小,也說明巷道兩側(cè)的支撐壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移,再加上倒梯形巷道本身就使兩幫支撐壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移,使松軟底板受巷道兩側(cè)支撐壓力擠壓減小,從而避免了底鼓對安全生產(chǎn)造成的不利影響。為此,我們選擇倒梯形巷道,嚴(yán)格控制腰線寬與巷高的比值,并嚴(yán)格執(zhí)行施工措施,保證巷道成形好、及時支護(hù)。矩形巷道頂板中點(diǎn)和兩幫應(yīng)力集中系數(shù)隨巷道斷面巷高與腰線寬比和側(cè)應(yīng)力系數(shù)s(巷道斷面上所受水平應(yīng)力和鉛直應(yīng)力之比)關(guān)系的變化見表1。從表1中數(shù)據(jù)可以看出巷道的巷高與腰線寬的比越接近巷道側(cè)壓系數(shù)s,巷幫和頂板中點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)越低,越有利于巷幫穩(wěn)定。

表1 巷道頂板中點(diǎn)和兩幫中點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)隨巷道斷面巷高與腰線寬比和側(cè)應(yīng)力系數(shù)s關(guān)系的變化

3 存在的問題及對策

(1)巷道兩幫應(yīng)力影響區(qū)隨巷幫高度增大而增大,相應(yīng)應(yīng)力集中系數(shù)較高,如果應(yīng)力很高,巷道周邊附近應(yīng)力就會超過煤體承載能力而產(chǎn)生破裂片幫。

(2)大斷面煤巷巷幫與頂板轉(zhuǎn)角處受最大切應(yīng)力影響,巷幫中點(diǎn)容易受最大拉應(yīng)力影響,轉(zhuǎn)角處和巷幫中點(diǎn)往往來不及支護(hù)就松動脫落,給施工安全和巷道控幫造成很大影響。

(3)由于一次成巷斷面大,支護(hù)不及時容易造成煤幫松動,尚未開始支護(hù)就片幫。

(4)矩形大斷面巷道底鼓比較嚴(yán)重,底鼓占頂?shù)装逡平康?9%。

針對上述問題,應(yīng)采取以下對策。

(1)改變大斷面煤巷巷道斷面形狀,使巷道形狀由矩形改為倒梯形,不僅可以減小切應(yīng)力對巷幫與頂板轉(zhuǎn)角處的影響,有利于巷幫支撐壓力均衡,而且可使巷道兩幫支撐壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移,底板受擠壓減少。

(2)調(diào)整巷道的高寬比,使其接近巷道的側(cè)壓系數(shù),使巷幫中點(diǎn)不出現(xiàn)拉應(yīng)力,壓應(yīng)力集中系數(shù)較低。

(3)改變巷道施工程序,大斷面煤巷斷面成形分上下兩段施工,先沿巷道頂板掘進(jìn)約1.7 m高的上半斷面,刷掉余留,掛網(wǎng)打錨桿固定煤幫,然后挖掉下半段煤,煤層薄處破底,達(dá)到設(shè)計規(guī)格,并繼續(xù)加固煤幫。此種施工方式,解決了一次成巷造成支護(hù)不及時的問題,盡最大可能保持了巷幫的自承能力。由于采用臺階式掘進(jìn)和錨桿掛網(wǎng)及時加固煤幫,在巷道水平應(yīng)力逐漸增大的過程中,水平應(yīng)力和鉛直應(yīng)力趨于均化,煤幫的自承能力提高,從而對保持巷道的穩(wěn)定性起到重要作用。

4 巷道斷面形狀及支護(hù)參數(shù)的確定

煤巷斷面形狀確定為倒梯形,采用錨桿掛網(wǎng)支護(hù)形式。

(1)錨桿用左旋全螺紋鋼配托盤和螺帽,錨桿規(guī)格為?16 mm×1800 mm。

(2)錨桿間、排距分別為800 mm和800 mm,允許正負(fù)誤差為50 mm。

(3)錨桿角度與煤幫垂直,其支護(hù)斷面如圖3所示。

圖3 倒梯形巷道斷面

5 礦壓觀測

5.1 觀測站布置

圖4 采區(qū)下山觀測站布置示意圖

在5#煤層采區(qū)軌道下山設(shè)置巷道變形觀測站,對巷幫和頂?shù)装逡平窟M(jìn)行觀測。從水平大巷與采區(qū)軌道下山交叉點(diǎn)沿軌道下山向下300 m范圍內(nèi),無掘進(jìn)動壓影響區(qū)每隔40 m設(shè)置1個圍巖變形觀測站,進(jìn)行圍巖變形觀測,安裝1套頂板離層儀,對煤幫進(jìn)行觀測;300～350 m范圍內(nèi),受掘進(jìn)動壓影響區(qū)每隔15 m設(shè)置1個圍巖變形觀測站,安裝1套頂板離層儀,如圖4所示。圖中數(shù)字1、2、3等表示觀測站。

5.2 觀測結(jié)果

無掘進(jìn)動壓影響區(qū)內(nèi),巷道變形小,煤壁穩(wěn)定,無松動脫層。觀測站頂?shù)装迤骄平繛?10 mm,最大頂?shù)装逡平繛?30 mm,底鼓占頂?shù)装逡平康?0%,最大占78%。測站兩幫平均移近量為153 mm,最大移近量為165 mm,兩幫總體移近量均衡。說明煤巷巷幫變形較小,承載能力較好。受掘進(jìn)動壓影響區(qū),觀測站頂?shù)装迤骄平繛?35 mm,最大頂?shù)装逡平繛?50 mm,底鼓占頂?shù)装逡平康?0%;兩幫平均移近量為180 mm,最大移近量為190 mm,煤幫稍有松動,但總體變形均勻,承載能力較好。

6 結(jié)論

(1)煤層頂板穩(wěn)定、底板松軟時,大斷面煤巷可采用倒梯形巷道,使圍巖受力均勻,應(yīng)力集中程度小,煤幫整體承載能力較好,不易片幫,底鼓量小,巷道變形量小。

(2)掘進(jìn)對煤巷巷幫的影響較大,采用臺階式掘進(jìn)減少掘進(jìn)支護(hù)的滯后時間,達(dá)到及時支護(hù)的目的,能取得較好的效果。

(3)頂?shù)装?、兩幫相對移近速度變化隨時間呈遞減狀態(tài),兩幫移近量與掘進(jìn)支護(hù)時間成反比。

實踐證明在相同的支護(hù)強(qiáng)度下,采用倒梯形巷道斷面與原來矩形斷面相比:巷道變形量小,易維護(hù),煤幫穩(wěn)定,巷道底鼓量小;巷道受掘進(jìn)動壓影響變化不大;避免了煤幫松脫空頂、底鼓等不利影響,支護(hù)成本低,而且節(jié)約了維修費(fèi),安全和經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)明顯。

[1] 王文星,巖體力學(xué)[M].中南大學(xué)出版社,2004

[2] 錢鳴高,石平五,礦石壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003

[3] 王煥文,錨噴支護(hù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1986