陳俊龍

(西山煤電(集團(tuán))公司 杜兒坪礦，山西 太原 030022)

1 跨巷開采模型的建立

山東某礦跨巷開采煤層標(biāo)高-290 m，采高3.0 m，煤層底板巖性為粉砂巖和細(xì)砂巖，底板大巷標(biāo)高-310 m，巷道斷面2.8 m ×2.8 m，支護(hù)形式為錨噴支護(hù)，噴層厚度100 mm，采用d14 mm×1 700 mm 錨桿，間排距為800 mm×800 mm 的布置形式。

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件構(gòu)建跨巷開采模型，設(shè)計基礎(chǔ)模型長(x)×寬(y)×高(z)為300 m ×200 m×100 m，共劃分36 000 個六面體單元網(wǎng)格，節(jié)點數(shù)為39 833，見圖1。

圖1 基礎(chǔ)模型示意圖

模型側(cè)面邊界施加水平位移約束，底面邊界施加豎直方向位移約束。模型頂部通過施加均布載荷，反映上部巖層的自重應(yīng)力。

2 底板巷道受采動影響分析

由數(shù)值模擬可知，上部工作面模擬開挖后超前支承壓力在煤壁前方形成應(yīng)力集中區(qū)，集中應(yīng)力向前下方傳遞，超前支承壓力影響范圍內(nèi)的底板巷道圍巖應(yīng)力顯著增大，并且底板巷道距煤層越近，集中應(yīng)力越大，底板巷道圍巖越容易發(fā)生破壞失穩(wěn)，沿推進(jìn)向垂直應(yīng)力分布圖見圖2。

圖2 沿推進(jìn)方向的垂直應(yīng)力分布圖

跨采過程中，由于底板巷道距上部工作面垂距一般較小，極易受到上部工作面的采動影響。結(jié)合跨采底板巷道變形的研究成果及本次數(shù)值模擬結(jié)果，分析可知“超前支承壓力+工作面動壓反復(fù)擾動”是跨采過程中底板巷道失穩(wěn)的內(nèi)在根源。

3 跨采底板巷道圍巖加固方案模擬

3.1 加固方案

提出5 種加固形式并通過數(shù)值模擬對比其加固效果，方案一為該礦巷道初始支護(hù)形式，其余方案為設(shè)計加固形式，該5 種加固方案分別如下:

1)方案一。

采用錨噴支護(hù)，噴層厚度100 mm，采用d14 mm×1 700 mm 錨桿，間排距800 mm×800 mm，見圖3。

圖3 底板大巷原支護(hù)斷面圖

2)方案二。

在方案一的基礎(chǔ)上，補打錨索，間排距1 500 mm×2 000 mm，采用d15. 24 mm × 8 000 mm 錨索，見圖4。

3)方案三。

在方案二的基礎(chǔ)上，采取注漿措施，水泥漿采用普通525 硅酸鹽水泥，水玻璃用量為水泥重量的3%。水泥漿中水∶ 水泥為1∶ 2。

圖4 方案二、三加固支護(hù)斷面圖

4)方案四。

在方案一的基礎(chǔ)上，補打錨桿和錨索，錨桿間排距1 500 mm ×2 000 mm，錨索間排距2 000 mm ×2 000 mm，采用d20 mm×2 200 mm 錨桿，d15.24 mm×8 000 mm 錨索，見圖5。

5)方案五。

在方案四的基礎(chǔ)上，采取注漿措施，水泥漿采用普通525 硅酸鹽水泥，水玻璃用量為水泥重量的3%。水泥漿中水∶ 水泥為1∶ 2。

圖5 方案四、五加固支護(hù)斷面圖

3.2 建立模型

在本次跨巷開采模擬中，上部煤層工作面自底板巷道后方150 m 開挖至其前方50 m，總計開挖200 m，開挖模型示意圖見圖6。

圖6 開挖模型示意圖

3.3 模擬結(jié)果分析

底板巷道圍巖變形示意圖見圖7。在跨采過程中，圍巖變形劇烈，變形以頂板下沉為主。本次模擬對頂?shù)装搴蛢蓭投歼M(jìn)行了變形量監(jiān)控，各方案模擬結(jié)果對比統(tǒng)計見表1。

圖7 數(shù)值模擬巷道圍巖變形示意圖

表1 底板巷道圍巖變形量統(tǒng)計表 /mm

由表1 可知，方案一支護(hù)效果不佳，圍巖變形量較大。方案二和方案四分別采用了補打錨索和錨桿的措施，圍巖變形得到了一定控制，相比方案一該兩種方案圍巖變形總量分別下降了25.1%和20.6%。方案三和方案五在方案二和方案四的基礎(chǔ)上進(jìn)行注漿加固后，圍巖變形得到了顯著的控制，圍巖變形量較方案一分別下降了57.8%和53.3%。

結(jié)合巖石力學(xué)分析可知，采取注漿措施后較大范圍內(nèi)的圍巖整體強(qiáng)度得到了提升，消除了圍巖中的弱結(jié)構(gòu)面，利用圍巖“自穩(wěn)”能力，有效提高了底板巷道對上部工作面動壓擾動的抵抗能力，而普通錨桿或錨索加固所形成的組合梁和組合拱范圍有限，加固效果遠(yuǎn)不及采用注漿加固。

4 工程實例

該礦在跨巷開采時采用了“錨索+注漿”的加固措施，并進(jìn)行了巷道圍巖變形監(jiān)控，巷道變形實測圖見圖8。

圖8 底板巷道變形實測圖

由圖8 可知，底板巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃我?guī)律較一致，均在工作面推進(jìn)至該測站后方約70 m 時，開始發(fā)生變形;工作面推進(jìn)至測站前方40 ～50 m 后圍巖變形基本達(dá)到穩(wěn)定。由此可知，上部工作面開采對底板巷道的超前影響距離約為70 m，滯后影響距離40 ～50 m。底板巷道的頂板下沉量約為100 mm，底鼓量58 mm，兩幫偏移量分別為43 mm 和40 mm。本次跨巷開采底板巷道的變形程度比之前相鄰采區(qū)跨巷開采(未進(jìn)行注漿加固)變形程度小，驗證了注漿措施在跨巷開采工程中的實用性和必要性。

5 總 結(jié)

跨巷開采一直是煤礦生產(chǎn)的難題，目前依然沒有一套完善的跨巷開采影響評估體系和治理方案?？缦镩_采由于上部工作面距下部巷道垂距較小，工作面動壓影響顯著，因此要注意兩者之間巖層的整體強(qiáng)度和完整性。采用注漿措施可以有效彌補普通錨桿和錨索支護(hù)的“盲區(qū)”，提高了跨巷開采的安全性，具有較高的實用價值。

［1］ 陸士良.底板巖巷和鄰近煤層巷道位置及跨采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1994(6):42.

［2］ 謝文兵.近距離跨采對巷道圍巖穩(wěn)定性影響分析［J］.巖石學(xué)與工程學(xué)報，2004(6):56 -57.

［3］ 蔣金泉，馮增強(qiáng)，韓繼勝.跨采巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分類與支護(hù)參數(shù)決策［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1999(01):82 -83.