唐世界

(河南能源化工集團(tuán)焦煤公司趙固一礦，河南省新鄉(xiāng)市，453634)

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受采動(dòng)影響的薄基巖回采巷道圍巖控制技術(shù)研究

唐世界

(河南能源化工集團(tuán)焦煤公司趙固一礦，河南省新鄉(xiāng)市，453634)

大量生產(chǎn)實(shí)踐表明，回采巷道頂板為薄基巖時(shí)，礦壓顯現(xiàn)劇烈。同時(shí)，由于采掘接替緊張，相鄰工作面未回采完畢就進(jìn)行下一工作面回采巷道的掘進(jìn)，造成掘進(jìn)巷道處于復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中，嚴(yán)重影響回采巷道圍巖的穩(wěn)定性。通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件從回采巷道所受的應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)以及錨桿錨索受力等方面驗(yàn)證了支護(hù)方案的合理性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果，分析了薄基巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

薄基巖 應(yīng)力場(chǎng) 塑性區(qū) 錨索錨桿支護(hù) 數(shù)值模擬

回采巷道頂板基巖較薄，巖性強(qiáng)度較弱，其形成的承載結(jié)構(gòu)更加脆弱，巷道頂板要承受自身掘進(jìn)時(shí)期的應(yīng)力重新分配，同時(shí)還要受本工作面開(kāi)采以及相鄰工作面開(kāi)采的超前或側(cè)向動(dòng)壓影響，巷道圍巖受力情況十分復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)回采巷道煤巷錨網(wǎng)支護(hù)主要以強(qiáng)力一次支護(hù)理論為基礎(chǔ)，針對(duì)不同的地質(zhì)工程條件進(jìn)行應(yīng)用。目前強(qiáng)力一次支護(hù)理論在薄基巖回采巷道中的應(yīng)用較少。對(duì)于采場(chǎng)薄基巖頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究較多，而對(duì)于受動(dòng)壓影響的薄基巖回采巷道的支護(hù)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究較少。本文以趙固一礦11271膠帶平巷為工程背景，分析總結(jié)了受動(dòng)壓影響的薄基巖回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支護(hù)技術(shù)，為類似工作面回采巷道支護(hù)提供一定參考。

1 工程概況

趙固一礦11271膠帶平巷下方為未回采的11291工作面，東邊是DF48斷層煤柱，西邊是F16保護(hù)煤柱，南邊是正在回采的11251工作面，區(qū)間保護(hù)煤柱寬度為40 m，11251工作面已回采50 m，11271膠帶平巷已掘進(jìn)760 m，最大埋深460 m。11271膠帶平巷在礦井服務(wù)過(guò)程中將受到11251工作面和本工作面的回采動(dòng)壓影響，巷道維護(hù)十分困難。井下調(diào)研發(fā)現(xiàn)，11271膠帶平巷采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道局部地段底鼓500～600 mm。根據(jù)類似工作面礦壓顯現(xiàn)情況可知，相鄰工作面回采期間巷道變形嚴(yán)重。在整個(gè)回采期間，巷道正常段斷面寬4.5 m，高3.5 m，掘進(jìn)斷面寬4.7 m，高3.6 m，沿煤層頂板掘進(jìn)。11271膠帶平巷位置關(guān)系如圖1所示。

趙固一礦二1煤層位于山西組底部，煤層賦存穩(wěn)定，埋深448 m，煤層厚5.8～6.2 m，平均約6.0 m，煤層傾角平均為2°。二1煤層為灰黑～黑灰色，以塊狀為主，似金屬光澤，貝殼狀斷口，煤質(zhì)堅(jiān)硬，夾有少量粒狀煤，煤層節(jié)理發(fā)育，頂板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖和大占砂巖，偽頂以泥巖為主，底板以砂質(zhì)泥巖和灰?guī)r為主。頂板基巖厚度25～55 m，基巖厚度較薄，工作面回采期間出現(xiàn)頂板漏粘土現(xiàn)象，掘巷期間需要及時(shí)對(duì)頂板基巖厚度進(jìn)行探測(cè)。

圖1 11271膠帶平巷位置關(guān)系圖

趙固一礦11271膠帶平巷地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示，最大水平主應(yīng)力為9.05 MPa，最小水平主應(yīng)力為7.53 MPa，垂直應(yīng)力為11.23 MPa，頂板泥巖單軸抗壓強(qiáng)度平均為20.78 MPa，砂巖單軸抗壓強(qiáng)度平均為61.85 MPa，煤體單軸抗壓強(qiáng)度平均為17.18 MPa。

2 11271膠帶平巷支護(hù)方案

錨索采用?21.6 mm，1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度8300 mm，延伸率7%，配合高強(qiáng)度鎖具和可調(diào)心托板。采用一支MSK2335和兩支MSZ2360樹(shù)脂錨固劑錨固。頂板每排錨桿打兩根錨索，間距2000 mm，排距900 mm，全部垂直頂板布置，錨索初次張拉不低于300 kN，預(yù)應(yīng)力損失后不低于260 kN。錨索托板采用300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具，其承載能力與錨索索體相匹配，不小于560 kN。

圖2 11271膠帶平巷斷面支護(hù)圖

兩幫巷幫支護(hù)：兩幫錨桿支護(hù)材料及參數(shù)和頂板的錨桿支護(hù)相同，只是護(hù)表構(gòu)建規(guī)格稍有差異。護(hù)表構(gòu)建采用經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格3400 mm×1000 mm；雙鋼筋托梁采用14 mm的雙鋼筋焊接而成，寬度80 mm，長(zhǎng)度3300 mm。11271膠帶平巷斷面支護(hù)如圖2所示。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型

針對(duì)11271膠帶平巷頂板基巖較薄的特點(diǎn)，根據(jù)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試的地應(yīng)力以及頂板和煤體的圍巖物理特性，采用FLAC3D軟件建立數(shù)值模擬，從11271膠帶平巷巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境、塑性破壞特征及錨桿錨索受力特征，模擬分析11271膠帶平巷支護(hù)方案的合理性。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

11251工作面與11271膠帶平巷掘進(jìn)交匯時(shí)，11271膠帶平巷在錨網(wǎng)支護(hù)下圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)和水平應(yīng)力場(chǎng)分布如圖3所示。

圖3 11271膠帶平巷圍巖應(yīng)力分布

由圖3可以看出，11251工作面回采與11271膠帶平巷掘進(jìn)交匯時(shí)，煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力為23.42 MPa，是原巖應(yīng)力的2.01倍，位置位于距離11251工作面3～5 m的位置，說(shuō)明煤柱內(nèi)的應(yīng)力疊加主要是受11251回采工作面引起的應(yīng)力重新分配，而11271膠帶平巷掘進(jìn)引起的應(yīng)力集中系數(shù)較小。11271膠帶平巷右?guī)湾^桿支護(hù)區(qū)域接近應(yīng)力疊加區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形情況進(jìn)行補(bǔ)打錨索；最大水平應(yīng)力為11.47 MPa，是原巖應(yīng)力的1.27倍，位置位于11271巷道底板2～5 m區(qū)域內(nèi)。垂直應(yīng)力的集中系數(shù)明顯大于水平應(yīng)力的集中系數(shù)，說(shuō)明由于頂板為薄基巖，11251工作開(kāi)采完畢后，頂板斷裂比較及時(shí)，對(duì)于水平應(yīng)力的傳導(dǎo)較快。

11271膠帶平巷掘進(jìn)和11251工作回采交匯時(shí)的巷道圍巖的塑性破壞特征及錨桿錨索受力情況如圖4所示。

圖4 11271膠帶平巷圍巖塑性區(qū)及錨桿錨索受力情況

由圖4可以看出，11251工作面回采后，11271膠帶平巷圍巖破壞范圍在巷道周圍3～5 m左右，支護(hù)有效的控制圍巖向深部破壞。11271膠帶平巷圍巖的塑性區(qū)和11251工作面開(kāi)采的破壞塑性區(qū)未貫通鏈接。11271膠帶平巷錨索最大受力為201 kN，錨桿最大受力為103 kN，從錨桿錨索受力上來(lái)看，錨桿錨索發(fā)揮了支護(hù)作用，從支護(hù)方案的材料選擇來(lái)看，強(qiáng)度完全滿足支護(hù)要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

在11271膠帶平巷與11251回采工作面交匯前80 m后設(shè)立的圍巖變形監(jiān)測(cè)站。巷道掘進(jìn)支護(hù)42 d后圍巖變形量如圖5所示。11271掘進(jìn)工作面在第8 d和11251回采工作面交匯，在距離8 m時(shí)兩幫變形速率增加，兩幫在35 d后基本穩(wěn)定，最大移進(jìn)量為178 mm；在相距7 m時(shí)頂板下沉速率增加，頂板在17 d左右基本穩(wěn)定，最大下沉量為90 mm。薄基巖頂板在11251工作面回采后，很快就斷裂垮落，采空區(qū)支承壓力保持時(shí)間較短，向相鄰11271膠帶平巷傳遞應(yīng)力的作用較小，11271膠帶平巷兩幫和頂板穩(wěn)定較快。

圖5 11271膠帶平巷圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié)論

(1)薄基巖回采巷道與相鄰工作面回采對(duì)掘，造成巷道圍巖處于動(dòng)態(tài)復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境中，煤柱垂直集中應(yīng)力達(dá)到最大垂直原巖應(yīng)力的2.01倍，水平應(yīng)力達(dá)到最大水平原巖應(yīng)力的1.27倍，說(shuō)明工作面薄基巖頂板跨落及時(shí)，對(duì)水平應(yīng)力的傳導(dǎo)作用比較低。

(2)由巷道變形監(jiān)測(cè)曲線可知，薄基巖頂板采空區(qū)頂板斷裂垮落迅速，開(kāi)采動(dòng)壓對(duì)附近對(duì)掘巷道的前后影響在7～8 m范圍內(nèi)，影響時(shí)間短，但在較短時(shí)間內(nèi)比較劇烈。薄基巖頂板對(duì)于采空區(qū)側(cè)壓力的傳導(dǎo)率低，采空區(qū)更容易穩(wěn)定。

(3)強(qiáng)力錨網(wǎng)支護(hù)實(shí)施高預(yù)應(yīng)力后，使巷道圍巖較大程度恢復(fù)為原始的三向應(yīng)力狀態(tài)，其整體強(qiáng)度得到恢復(fù)，尤其是薄基巖頂板，必須發(fā)揮有限厚度基巖的自身承載能力，才能承受其上覆黏土層的壓力。

[1] 張濤，劉劍友，陳道志. 厚表土層薄基巖條件下回采巷道支護(hù)研究 [J]. 煤炭工程，2012(10)

[2] 賈喜榮.巖石力學(xué)與巖層控制 [M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010

[3] 賈后省，馬念杰，趙希棟等. 深埋薄基巖大跨度切眼頂板失穩(wěn)垮落規(guī)律 [J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2014(5)

[4] 王德璋，李俊杰.動(dòng)壓巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支護(hù)技術(shù) [J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011(4)

[5] 張耀平，曹平，袁海平等.復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析 [J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010(2)

[6] 楊彪.基于FLAC3D的薄基巖區(qū)覆巖破壞高度數(shù)值模擬研究 [J].能源與環(huán)保，2017(1)

[7] 許家林，錢鳴高，金宏偉.巖層移動(dòng)離層演化規(guī)律及其應(yīng)用研究 [J].巖土工程學(xué)報(bào)，2004(9)

[8] 郭相參，張愛(ài)英.煤礦錨桿支護(hù)巷道頂板穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)方法 [J].煤礦支護(hù)，2009(3)

[9] 邱天德，程子厚. 深井井底車場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性分析及合理形式確定 [J]. 中國(guó)煤炭，2014(7)

(責(zé)任編輯 陶 賽)

Study on control technology of surrounding rock of roadway affected by mining in thin bedrock

Tang Shijie

(Zhaogu No.1 Mine, Henan Energy Jiaozuo Coal Co., Ltd., Xinxiang, Henan 453634, China)

Considerable production practice showed that mining pressure was severe when the roof of mining roadway was thin bedrock. Besides, due to excavation-mining replacement, driving roadway began excavation before adjacent work face mining was done, which led to complex stress circumstance in roadway, seriously affecting the stability of surrounding rock. Based on FLAC3D software, this paper investigated the feasibility of bolt and cable supporting scheme from the aspects of roadway stress field, plastic zone and force on anchor cable, analyzed mining pressure behavior in thin bedrock through field test.

thin bedrock, stress field, plastic zone, cable anchor support, numerical simulation

唐世界. 受采動(dòng)影響的薄基巖回采巷道圍巖控制技術(shù)研究 [J]. 中國(guó)煤炭，2017,43(7)：58-61.TangShijie.Studyoncontroltechnologyofsurroundingrockofroadwayaffectedbymininginthinbedrock[J].ChinaCoal，2017,43(7)：58-61.

TD

A

唐世界(1982-)，男，滿族，河北隆化人，工程師，現(xiàn)任河南能源化工集團(tuán)焦煤公司趙固一礦總工程師，主要從事煤礦地質(zhì)、巷道支護(hù)及采煤方法研究。