王少杰

(開灤(集團(tuán))蔚州礦業(yè)有限責(zé)任公司南留莊礦，河北 蔚縣 075700)

富水圍巖巷道錨桿支護(hù)研究

王少杰

(開灤(集團(tuán))蔚州礦業(yè)有限責(zé)任公司南留莊礦，河北 蔚縣 075700)

文章針對(duì)河北蔚州礦區(qū)南留莊礦U型鋼支護(hù)巷道費(fèi)用高、工藝復(fù)雜、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高等問題，首次運(yùn)用錨桿支護(hù)進(jìn)行試驗(yàn)。通過UDEC數(shù)值模擬究分析圍巖變形規(guī)律，得出巷道位移變化和塑性區(qū)分布特征，通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，觀測(cè)得出回采期間頂板最大下沉量38mm，兩幫移近量52mm，頂錨桿最大受力92 kN，幫錨桿最大受力62 kN。可見，通過錨桿支護(hù)方式使得回采巷道變形量較小、頂板完整性變好，有效減小了圍巖變形，實(shí)現(xiàn)了圍巖穩(wěn)定性，保證了工作面的安全開采，取得了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。

回采巷道；錨桿支護(hù)；數(shù)值模擬；工業(yè)試驗(yàn)

1 引言

我國(guó)煤礦資源的開采主要是井工開采，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)國(guó)有大中型煤礦每年新掘進(jìn)的巷道總長(zhǎng)度約為數(shù)千公里，約有80%是半煤巷和煤巷。因此，煤層巷道的安全和圍巖穩(wěn)定對(duì)安全生產(chǎn)有重要意義，巷道支護(hù)的可靠性和成本直接影響煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益[1]。煤礦巷道支護(hù)經(jīng)歷了由木支護(hù)、砌碹支護(hù)、U型鋼支護(hù)到錨桿支護(hù)的漫長(zhǎng)過程，現(xiàn)在錨桿支護(hù)技術(shù)已趨于成熟[2-6]，文章針對(duì)河北蔚州礦區(qū)南留莊礦U型鋼支護(hù)巷道費(fèi)用高、工藝復(fù)雜、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高等問題，首次在該礦進(jìn)行錨桿支護(hù)改革試驗(yàn)。

2 工程概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于該礦四采區(qū)1號(hào)煤層1408工作面回風(fēng)巷道，地面標(biāo)高+1 050m，煤層標(biāo)高+815m。四采區(qū)煤層總體為一近水平的單斜形態(tài)，總體趨勢(shì)為西北較高，東南稍低，傾角一般為3°~5°。煤層賦存比較穩(wěn)定，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含1~3層夾矸。煤層平均埋深235m，厚度為3~4m，1號(hào)煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖見圖1。

圖1 1號(hào)煤層綜合柱狀圖

本采區(qū)充水水源主要有煤系基底寒武系、奧陶系灰?guī)r含水層；煤系砂巖含水層；第四系砂礫卵石含水層及輝綠巖裂隙含水層。第四系洪積層平均厚度150m，賦水性中等，但含有流沙層。第四系洪積層底面距1煤層頂板間距20~104m，平均56.02m。本區(qū)正常涌水量為5.8m3/min，屬于涌水量大區(qū)域；現(xiàn)場(chǎng)6m鉆孔抽水試驗(yàn)單位涌水量0.933 L/min，介于0.1 L/min和1.0 L/min間，屬于中等富水性含水層。煤系地層直接坐落在奧灰?guī)r基底之上，主要可采煤層1煤距奧灰?guī)r很近，隔水層厚度在0.2~16.2m之間，平均6.69m，采區(qū)南部和北部隔水層厚度較薄，小于1m，其余區(qū)域大部分在2~6m之間。

1408工作面回風(fēng)巷道巷道設(shè)計(jì)沿頂板掘進(jìn)，兩幫為實(shí)體煤，斷面設(shè)計(jì)為矩形。該礦巷道圍巖含水量較大，造成巷道圍巖強(qiáng)度降低，為保證工程的穩(wěn)定性和安全性，巷道設(shè)計(jì)為小斷面巷道，高度2.5m，寬度2.8m，巷道斷面圖見圖2。

圖2 1408工作面回風(fēng)巷道斷面圖

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)條件、巷道斷面尺寸、施工條件和生產(chǎn)技術(shù)條件，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)分析，初步確定頂錨桿采用Φ20×2 400mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距0.65×0.9m；幫錨桿采用Φ18×1 800mm圓鋼錨桿，間排距1.0×0.9m；幫網(wǎng)和頂網(wǎng)采為菱形金屬網(wǎng)。托盤采用120mm×120mm×8mm和150mm×150mm×5mm鐵托盤。如果巷道出現(xiàn)底臌現(xiàn)象時(shí)，還應(yīng)該在幫底補(bǔ)打錨桿，其參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可適當(dāng)修正。巷道斷面和錨桿初步設(shè)計(jì)布置見圖3。

圖3 巷道斷面圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

文章采用數(shù)值模擬軟件UDEC2D3.1模擬巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。離散元數(shù)值模擬軟件UDEC是基于拉格朗日顯式差分法求解運(yùn)動(dòng)方程和動(dòng)力方程的，針對(duì)非連續(xù)介質(zhì)模型的二維離散元數(shù)值計(jì)算程序，模擬靜載或動(dòng)載條件下非連續(xù)介質(zhì)(如節(jié)理塊體)力學(xué)行為的特征，能夠較好地適應(yīng)不同巖性和不同開挖狀態(tài)條件下的巖層運(yùn)動(dòng)和巷道變形的需要。

在工作面回采時(shí)，巷道受工作面超前支承壓力的影響，巷道圍巖應(yīng)力急劇增加，引起圍巖應(yīng)力的又一次重新分布，塑性區(qū)的影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，使得巷道的變形量急劇增大。目前，上述參數(shù)主要由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)取得，工作面超前支承壓力增高系數(shù)為2.5~3，傾斜方向支承壓力增高系數(shù)在2~3之間。依據(jù)南留莊礦埋深淺的地質(zhì)條件和房柱式生產(chǎn)方式，同時(shí)考慮生產(chǎn)期間的巷道安全問題，取回采期間的巷道圍巖的支承壓力系數(shù)為2.5，用數(shù)值模擬軟件UDEC對(duì)上述模擬方案在工作面回采期間巷道變形和穩(wěn)定情況進(jìn)行研究。巷道周邊表面位移、巷道附近位移矢量分布、巷道附近的塑性區(qū)分布、巷道圍巖垂直應(yīng)力分布和水平應(yīng)力分布見圖4。其中hist1、hist2、hist3、hist4分別為巷道的頂板下沉量、底臌量、左幫移近量、右?guī)鸵平浚幌锏乐車鷩鷰r的位移矢量圖中的箭頭代表節(jié)點(diǎn)位移的方向和大??；應(yīng)力分布圖中的數(shù)值代表等值線上的應(yīng)力值，數(shù)值的單位為MPa。

從圖4中可以看出，工作面回采后，在超前支承壓力的作用下，巷道的表面位移大幅增大，巷道的頂板下沉量、底臌量、左幫移近量、右?guī)鸵平扛鳛?17mm，30mm，60mm，63mm。巷道周圍位移矢量都指向巷道的中心，并且隨著距巷道周邊距離的增大而減小。在巷道周邊均出現(xiàn)塑性區(qū)，且范圍大幅增大，巷道右側(cè)為未開采區(qū)域，右?guī)退苄詤^(qū)寬度大約為6m。通過上述分析可知，在工作面回采引起的超前支承壓力下，巷道的變形量和塑性區(qū)范圍大幅增加，但是仍在允許范圍內(nèi)，因此該錨桿支護(hù)方案能保證巷道回采期間的安全、正常使用。

圖4 回采情況下數(shù)值模擬結(jié)果

4 工業(yè)性試驗(yàn)

依據(jù)1408工作面回風(fēng)巷道試驗(yàn)段條件，布置兩組礦壓觀測(cè)站，間距為50m，每組測(cè)站頂和兩幫各布置一個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)和多點(diǎn)位移計(jì)。

通過礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)來看，在掘進(jìn)期間，1號(hào)測(cè)站和2號(hào)測(cè)站頂板的最大下沉量為35mm和34mm，巷道頂板總離層值約為15mm和16mm。巷道開挖初期，圍巖應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)應(yīng)力集中，巷道兩幫最大變形量約為25mm和30mm，兩幫主要變形量集中在距離掘進(jìn)頭100m范圍內(nèi)，以后巷道基本穩(wěn)定。錨桿正常受力，約為20 kN，能夠保證巷道的穩(wěn)定。在1408工作面回采期間，2號(hào)測(cè)站頂板最大下沉量38mm，兩幫移近量52mm，頂錨桿最大受力92 kN，幫錨桿最大受力62 kN。錨桿受力與巷道變形一致，保證巷道的穩(wěn)定，滿足巷道支護(hù)要求。

5結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明，1408工作回采巷道采用錨桿支護(hù)后，變形量較小，頂板完整性好，有效減小了圍巖變形、實(shí)現(xiàn)了圍巖穩(wěn)定，改善了回采巷道的圍巖狀況，提高了巷道掘進(jìn)效率，極大地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效地降低了支護(hù)成本，為整個(gè)礦井巷道錨桿支護(hù)提供了依據(jù)，創(chuàng)造了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

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Studyon Bolt Support of the Road wayunder Water-bearing Surrounding Rock

Wang Shaojie

According to the problemsofhigh cost,process complex and labor intensity used U shaped steelsupport roadway in Yuzhoumining areas,boltsupportwasused first time for test.Through UDEC numericalsimulation to analysis the surrounding rock deformation law ofdisplacement,and concludes that the changes and the distribution characteristics of the plastic zone,and through the field industrial test,duringmining subsidence 38mm maximum roof,two sides closer to 52mm,top of themaximum stress 92 kN,sides anchormaximum force 62 kN.Using boltsupport made deformation smaller and effectively reduce roof integrity of surrounding rocks deformation and guarantee the stability of surrounding rock of the safetyminingand obtain good economical.

roadway；boltsupport；numericalsimulation；commercial test

TD353.6

A

1000-8136(2011)29-0003-03

王少杰，男，漢族，1964年1月13日生，河北蔚縣人，助理工程師。