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煤柱底板巷道圍巖控制技術(shù)研究

李屹博1,2，田茂林2，劉志剛2，高飛3

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454150；

2.洛陽市煤炭工業(yè)局，河南洛陽471023；3.新疆天富電力有限責(zé)任公司 南山煤礦，新疆石河子832026)

摘要許疃煤礦82聯(lián)巷原有支護(hù)方式為36U型鋼支架噴漿支護(hù)，受巷道上方煤柱上高支承壓力的影響，巷道變形強烈。根據(jù)巷道現(xiàn)有變形破壞特征，分析了其破壞內(nèi)在原因，采用FLAC`(2D)6.0軟件對不同的支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析。結(jié)果表明，棚索協(xié)同支護(hù)+全斷面注漿加固+底板高強錨網(wǎng)索支護(hù)，有效改善了巷道淺部圍巖結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場工業(yè)性試驗結(jié)果表明，巷道圍巖變形量小，圍巖變形得到有效控制。

關(guān)鍵詞煤柱；數(shù)值模擬；棚索協(xié)同；底板錨網(wǎng)索

收稿日期：2014-10-29

作者簡介：李屹博(1984—)，男，河南洛陽人，2013級河南理工大學(xué)在讀工程碩士研究生，主要從事煤炭管理工作

中圖分類號：TD322

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)01-0018-03

AbstractThe original support pattern of 82 linking roadway of Xutuan coal mine is 36U-shaped steel bracket guniting, but affected by high bearing pressure on the coal pillar above roadway, the roadway deforms strongly. Bases on the characteristics of existing roadway deformation, analyzes the underlying causes of destruction. Adopts FLAC2D6.0 numerical simulation software, contrasts and analyzes the different support scheme. The results show that Shed cooperate with cable support, whole section grouting reinforcement and floor reinforced anchor net cable support can effectively improve shallow surrounding rock structure of roadway. On-site industrial test results show that the roadway surrounding rock deformation is tiny, the deformation of surrounding rock is effectively controlled.

我國很多礦區(qū)在巷道布置時，為改善巷道的維護(hù)狀況、防止煤層自然發(fā)火、提高巷道運輸能力、保證安全高效生產(chǎn)，將服務(wù)時間較長的主要大巷、采區(qū)上下山及區(qū)段集中巷都布置在圍巖較穩(wěn)定的底板巖層中。留設(shè)一定寬度的保護(hù)煤柱是該類底板巷道的主要護(hù)巷方式，但受現(xiàn)場實際開采條件的影響，留設(shè)的保護(hù)煤柱常常非但沒有起到保護(hù)底板巷道的作用，反而使巷道受煤柱上高支承壓力的影響而強烈變形，尤其是節(jié)理裂隙極為發(fā)育的破碎軟巖巷道在高應(yīng)力作用下，往往由于巷道支護(hù)不當(dāng)，而陷入“前掘后修”的惡性循環(huán)，不僅浪費大量人力物力，而且直接影響煤礦高效生產(chǎn)，危及人身安全[1-5]。

1工程概況

許疃煤礦采用立井兩水平開拓，一水平標(biāo)高-500 m，二水平標(biāo)高-800 m，礦井共有可采煤層8層，其中主采煤層4層。目前，礦井-500 m水平主采32煤、71煤、72煤和82煤。82聯(lián)巷埋深520 m左右，是該礦-500 m軌道石門與-500 m水平南大巷的聯(lián)系通道，擔(dān)負(fù)著礦井-500 m水平的進(jìn)風(fēng)、運料、排矸、排水及行人任務(wù)，是礦井安全生產(chǎn)的咽喉通道。82聯(lián)巷與周圍巷道位置關(guān)系圖見圖1，82聯(lián)巷位于72煤層底板巖層中，距72煤層底板15 m左右。據(jù)巖層掘進(jìn)實測資料顯示，82聯(lián)巷圍巖巖性以泥巖和煤為主，其中煤以末狀、細(xì)碎塊狀為主，而泥巖含植物化石碎片及鋁質(zhì)成分，并呈塊狀，故82聯(lián)巷圍巖巖性較差。

圖1　采掘工程平面圖

2 巷道失穩(wěn)破壞原因

2.1巷道變形破壞特征

82聯(lián)巷設(shè)計斷面為直墻半圓拱形，凈寬×凈高：4 000 mm×3 300 mm.巷道原有支護(hù)方式為36U型鋼支架噴漿支護(hù)，支架排距550 mm.近兩年，受巷道上方煤柱上高支承壓力的影響，巷道變形強烈，已難以滿足使用要求。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，巷道的變形破壞特征主要表現(xiàn)為U型鋼支架變形嚴(yán)重，部分支架頂梁出現(xiàn)尖頂變形與偏斜內(nèi)移、柱腿強烈扭曲變形甚至出現(xiàn)折腿，同時多處卡纜螺桿拉斷；巷道噴層大量開裂、兩幫內(nèi)移及底鼓強烈。

2.2巷道失穩(wěn)破壞原因

圍巖應(yīng)力、圍巖強度及巷道支護(hù)是決定巷道圍巖穩(wěn)定性的3大要素。根據(jù)82聯(lián)巷地質(zhì)條件和巷道變形破壞特征的現(xiàn)場調(diào)查分析可知，造成巷道變形破壞的主要影響因素有：

1) 煤柱上高支承壓力作用。82聯(lián)巷埋深520 m左右，理論上巷道所處圍巖垂直應(yīng)力約13.77 MPa，當(dāng)巷道兩側(cè)工作面回采逐漸形成煤柱時，兩側(cè)工作面回采形成的支承壓力相互疊加，而82聯(lián)巷位于煤柱正下方，距煤層底板距離僅15 m左右。因此，巷道圍巖應(yīng)力水平較高，在該高應(yīng)力長期作用下，巷道圍巖塑性區(qū)范圍將向圍巖深部擴展，從而引起更大范圍內(nèi)圍巖的變形破壞。

2) 巷道圍巖強度低。82聯(lián)巷揭露巖層主要為泥巖和煤，巖石自身強度較低，且?guī)r體節(jié)理裂隙較為發(fā)育、膠結(jié)程度差，在煤柱上高支承壓力長期作用下，巷道圍巖節(jié)理裂隙更加發(fā)育，巷道圍巖變得松散破碎，造成巷道圍巖黏聚力、內(nèi)摩擦角及抗拉強度等力學(xué)參數(shù)不斷惡化。

3) 沒有充分發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力。受巷道掘進(jìn)工藝、支護(hù)工藝、巷道圍巖巖性及圍巖結(jié)構(gòu)影響，支架與巷道圍巖難以均勻接觸，從而導(dǎo)致支架與圍巖的相互作用關(guān)系差，使得支架在支護(hù)初期不承載，圍巖變形后又主要承受不均勻集中載荷和偏心載荷，最終導(dǎo)致支架實際承載能力遠(yuǎn)低于理論承載能力，很難控制巷道圍巖的變形[4-5]。

4) 沒有充分發(fā)揮圍巖的自承載能力。82聯(lián)巷現(xiàn)有支護(hù)方式為U型鋼支架支護(hù)，由于U型鋼支架支護(hù)是一種典型的被動支護(hù)，單純架設(shè)U型鋼支架難以充分發(fā)揮巷道圍巖的自承載能力，尤其是難以發(fā)揮深部穩(wěn)定圍巖的自承載能力。

5) 底板未采取支護(hù)措施。82聯(lián)巷由于無控底措施，導(dǎo)致底板圍巖因一直處于二向應(yīng)力狀態(tài)而只具有較低的自承載能力，使得底板因成為巷道周邊較高集中切向應(yīng)力釋放的自由面而強烈鼓出。底鼓產(chǎn)生后的頻繁臥底，使巷道圍巖松動圈發(fā)育范圍進(jìn)一步擴大的同時，也加速了巷道兩幫的內(nèi)移，從而降低了巷道支護(hù)承載結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致巷道因支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞而出現(xiàn)大變形。

3全斷面支護(hù)數(shù)值模擬分析

為研究巷道采用不同支護(hù)技術(shù)后，巷道圍巖變形、圍巖破裂屈服范圍、圍巖應(yīng)力分布及支架受力的變化，采用顯示有限差分軟件FLAC2D6.0，對82聯(lián)巷原U型鋼支架支護(hù)、U型鋼支架支護(hù)+全斷面注漿加固、棚-索協(xié)同支護(hù)+全斷面注漿加固+底板高強錨網(wǎng)索支護(hù)3種支護(hù)方式進(jìn)行了數(shù)值模擬對比分析。不同支護(hù)方式下的巷道圍變形情況見圖2.

方案一原U型鋼支架支護(hù)

方案二U型鋼支架支護(hù)+全斷面注漿加固

方案三 棚索協(xié)同支護(hù)+全斷面注漿加固+底板高強錨網(wǎng)索支護(hù)

圖2不同支護(hù)方案的巷道圍巖位移量圖

由圖2可見，巷道圍巖變形特征以巷道淺部0~3 m內(nèi)圍巖的剪脹變形為主；但隨著巷道支護(hù)強度的不斷加大，巷道圍巖變形量呈不斷減小趨勢。原支護(hù)條件下，巷道圍巖變形量較大，巷道幫部、底板及頂板的表面位移量分別達(dá)225 mm、415 mm、106 mm左右，巷道底鼓量分別是頂板下沉量、幫部內(nèi)移量的3倍、2倍左右，可見，此時巷道的圍巖變形特征以處于開放、無加固狀態(tài)的底板的強烈鼓出為主。在支護(hù)方案一的基礎(chǔ)上，對巷道圍巖采取全斷面注漿加固后，巷道淺部圍巖強度得到加強，淺部圍巖的剪脹變形得到有效控制，巷道幫部、頂板表面位移量分別減小至170 mm、70 mm左右，雖然底板表面位移也有減小，但仍高達(dá)377 mm左右，說明此時支護(hù)方案二仍不足以保證巷道穩(wěn)定性，尤其是保證巷道底板的穩(wěn)定性。隨著支護(hù)方案三的實施，巷道圍巖變形量繼續(xù)減小，巷道整體位移量控制在120 mm以內(nèi)，特別是底板表面位移量控制在115 mm左右，相對于支護(hù)方案二減小了262 mm，降幅高達(dá)69.5%；此外，距巷道表面距離2 m之外的深部圍巖位移量也都控制在60 mm以下，尤其是距巷道表面距離2 m之外的幫部及底板深部圍巖位移量甚至都控制在30 mm以下，有效改善了巷道淺部圍巖結(jié)構(gòu)，從而保證了巷道的長期穩(wěn)定。

4支護(hù)方案及效果

擴巷完成后，及時采用36U型鋼支架支護(hù)，支架排距500 mm，支架壁后使用雙扣聯(lián)排鋼筋網(wǎng)背板強力護(hù)表，然后全斷面噴射混凝土，噴層厚度控制在35 mm±2 mm.巷道圍巖變形相對穩(wěn)定、裂隙發(fā)育充分后，進(jìn)行圍巖注漿加固。全斷面布置8個注漿孔，注漿孔深度4 000 mm，幫、頂注漿孔間排距1 100 mm×1 500 mm，底板注漿孔間排距2 000 mm×2 000 mm.漿液凝固后，施工預(yù)應(yīng)力帶梁錨索對U型鋼支架承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行強化，實現(xiàn)棚-索協(xié)同支護(hù)。針對82聯(lián)巷擴巷前普遍出現(xiàn)的尖頂型破壞及柱腿對折破壞現(xiàn)象，決定在頂梁正中不布置錨索，重點在支架柱腿部位布置帶梁錨索，從而提高柱腿的抗側(cè)壓能力。錨索規(guī)格為d17.8 mm×6 300 mm1860鋼絞線，柱腿錨索按五花眼布置，錨索排距為1 000 mm.剝離到底板設(shè)計標(biāo)高以下150 mm打50 mm混凝土地坪，在地坪上施工d22 mm×3 000 mm底板錨桿、d17.8 mm×5 000 mm底板錨索，布置見圖3，斷面間距800 mm.

圖3　支護(hù)方案布置示意圖

支護(hù)完成后巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果表明，該支護(hù)技術(shù)方案實施后，82聯(lián)巷表面位移量在25 d后趨于穩(wěn)定，其中兩幫位移量穩(wěn)定在58 mm左右，頂?shù)装逦灰屏糠€(wěn)定在35 mm左右，有效控制了巷道圍巖變形，保證了巷道長期正常安全使用。

5結(jié)論

82聯(lián)巷原有支護(hù)方式為36U型鋼支架噴漿支護(hù)，近兩年受巷道上方煤柱上高支承壓力的影響，巷道變形強烈。在建立數(shù)值分析模型的基礎(chǔ)上，采用顯示有限差分軟件FLAC2D6.0對3種不同的支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析，數(shù)值模擬結(jié)果表明：棚-索協(xié)同支護(hù)+全斷面注漿加固+底板高強錨網(wǎng)索支護(hù)可有效改善巷道淺部圍巖結(jié)構(gòu)，從而保證了巷道的長期穩(wěn)定?，F(xiàn)場工業(yè)性試驗實施結(jié)果表明，支護(hù)方案三實施后，有效控制了巷道圍巖變形，保證了巷道長期正常安全使用要求。

參考文獻(xiàn)

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Study on Surrounding Rock Control Technology of

Roadway in Coal Pillar Floor

LI Yibo, TIAN Maolin, LIU Zhigang, GAO Fei

Key wordsCoal pillar; Numerical simulation; Shed cooperate with cable; Floor anchor net and cable

·試驗研究·

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