聶茂根

(山西西山煤電股份有限公司西曲礦,山西 古交 030200)

西曲礦2#煤復(fù)合頂板動(dòng)壓影響下支護(hù)技術(shù)研究

聶茂根

(山西西山煤電股份有限公司西曲礦,山西 古交 030200)

以西曲礦南三盤區(qū)2#煤復(fù)合頂板動(dòng)壓影響下12313工作面回采巷道支護(hù)為實(shí)際工程背景,綜合采用理論分析、數(shù)值模擬和礦壓監(jiān)測(cè)的研究方法,對(duì)12313工作面回采巷道的合理支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究,取得了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果,保證了復(fù)合頂板動(dòng)壓影響下2#煤工作面安全高效生產(chǎn)。

復(fù)合頂板;回采巷道;支護(hù)設(shè)計(jì);數(shù)值模擬

西曲礦南三盤區(qū)2#煤直接頂是厚度為1.23 m的深灰色泥巖,薄層狀,含植物化石,往上是平均厚度為0.6 m的03#煤,再往上是1.42 m的深灰色的粉砂巖,再往上是平均厚度約為3.27 m的泥巖,再往上是1.37 m的粉砂巖和3.27 m的中砂巖,屬于典型的復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)。

由于頂板中賦存巖性比較軟的夾層,因此上下巖層之間的粘結(jié)力相應(yīng)比較低,并且在巷道開掘的過程中,巖性比較軟的夾層發(fā)生膨脹之后還會(huì)對(duì)位于其下方的巖層產(chǎn)生比較大的膨脹作用力,在上述因素的綜合作用下,2#煤巷道頂板巖層極易發(fā)生垮落[1-2]。

1 試驗(yàn)工作面概況

試驗(yàn)工作面12313位于西曲煤礦井下南三采區(qū),工作面地面位于原港立村,南坪村北部。井下位于南三盤區(qū)東北部,西南部為已回采的12309工作面,東北部為采區(qū)運(yùn)輸大巷,工作面上部是未回采的12314工作面,與12313工作面之間保護(hù)煤柱尺寸設(shè)計(jì)為16 m,12313工作面下部是為未開采的實(shí)體煤。12313工作面四鄰關(guān)系示意圖,見圖1。

圖1 12313工作面四鄰關(guān)系示意圖Fig. 1 Surrounding illustration of No.12313 working face

12313正巷沿著2#煤層的頂板掘進(jìn),全長570 m,巷道斷面成矩形,寬度4.5 m,高度3.5 m,地面標(biāo)高在1 286 m～1 315 m,工作面標(biāo)高在1 089 m～1 109 m,工作面平均埋深在179 m～223 m之間。根據(jù)礦方采掘計(jì)劃,12314面開采之前,需掘進(jìn)12313工作面正副巷。12313工作面煤層柱狀圖見圖2。

圖2 12313綜采工作面柱狀圖Fig.2 Column of No.12313 fully-mechanized working face

2 數(shù)值模擬分析

2.1數(shù)值模擬模型建立

南三采區(qū)12313試驗(yàn)工作面正巷與相鄰12314工作面正巷間隔16 m寬度煤柱。12313工作面正巷掘進(jìn)、相鄰12314工作面回采和12313工作面回采,導(dǎo)致煤柱賦存著較大的動(dòng)態(tài)支承壓力,是12313正巷產(chǎn)生動(dòng)壓的根本力源。采用FLAC3D數(shù)值軟件,分析12313正巷整個(gè)使用期間,巷道圍巖的受力特征,為選擇合理的支護(hù)形式與參數(shù)提供依據(jù)。

本次建模以西曲礦實(shí)際工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ),采用直角坐標(biāo)系建立坐標(biāo),將水平面作為XOY面,垂直于水平面方向取為Z軸。坐標(biāo)原點(diǎn)取為12313正巷左下角點(diǎn),X軸取水平向右為正方向,Y軸取垂直于巷道向上的方向?yàn)檎较?Z軸取垂直于XOY平面向上的方向?yàn)檎较?沿著重力作用的方向?yàn)樨?fù)方向。數(shù)值模擬模型劃分單元173 850個(gè),節(jié)點(diǎn)184 512個(gè)。數(shù)值模擬模型邊界條:前后左右為鉸支,底部為固支,頂部為自由邊界。初始應(yīng)力按照地質(zhì)力學(xué)測(cè)試實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行施加。在計(jì)算中,模擬了12314正巷、12313正巷掘進(jìn)及12313工作面回采對(duì)各條巷道圍巖應(yīng)力和變形的影響情況。數(shù)值模擬模型見圖3。

圖3 數(shù)值模型整體效果圖Fig.3 Model rendering of numerical simulation

2.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4—圖7為在12313正巷和12314正巷在掘進(jìn)階段,巷道圍巖及煤柱內(nèi)部應(yīng)力、位移和塑性破壞區(qū)分布情況。

圖4 12313正巷和12314正巷掘進(jìn)后圍巖垂直應(yīng)力分布Fig.4 Vertical stress distribution of surrounding rock after No.12313 and 12314 roadway driving

圖5 12313正巷和12314正巷掘進(jìn)后圍巖最大主應(yīng)力Fig. 5 Maximum stress of surrounding rock after No.12313 and No. 12314 roadway driving

圖6 12313正巷和12314正巷掘進(jìn)后圍巖垂直位移場(chǎng)Fig. 6 Vertical displacement field of surrounding rock after No.12313 and No.12314 roadway driving

圖7 12313正巷和12314正巷掘進(jìn)后塑性破壞區(qū)分布Fig. 7 Plastic failure zone distribution after No.12313 and No.12314 roadway driving

從圖4—圖7可知,兩條巷道掘進(jìn)后,兩條巷道垂直應(yīng)力存在一定的疊加效應(yīng),水平應(yīng)力和位移場(chǎng)疊加效應(yīng)不明顯。巷道掘進(jìn)后,巷道間煤柱最大垂直應(yīng)力為13.05 MPa。巷道掘進(jìn)后,水平應(yīng)力集中區(qū)域分布于巷道的頂板和底板,最大水平應(yīng)力值為27.43 MPa。從兩條巷道掘進(jìn)后圍巖位移場(chǎng)分布來看,巷道頂板最大下沉量為11.1 mm,最大底鼓量為25.3 mm,兩幫最大變形量為35.5 mm。巷道圍巖的破壞區(qū)域主要分布于巷道的四周,巷道圍巖塑性破壞區(qū)域不大,破壞區(qū)范圍基本在2.2 m以內(nèi)。

3 支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1支護(hù)設(shè)計(jì)原則

針對(duì)西曲礦南三采區(qū)地質(zhì)生產(chǎn)條件,為使得錨桿的支護(hù)作用得到充分發(fā)揮,提出以下設(shè)計(jì)原則: 1)一次支護(hù)原則。盡可能一次錨桿支護(hù)就達(dá)到有效控制圍巖變形的目的,盡量避免對(duì)巷道進(jìn)行二次支護(hù)或者多次支護(hù)。2)高預(yù)應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則。在錨桿支護(hù)中,預(yù)應(yīng)力是十分關(guān)鍵的一項(xiàng)因素,能夠區(qū)分錨桿支護(hù)是被動(dòng)支護(hù)還是主動(dòng)支護(hù),并且高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)才可以真正發(fā)揮錨桿的主動(dòng)支護(hù)作用。3)高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度的“三高一低”原則。4)臨界支護(hù)強(qiáng)度與臨界支護(hù)剛度原則。臨界支護(hù)強(qiáng)度與臨界支護(hù)剛度存在于錨桿支護(hù)系統(tǒng)之中,巷道圍巖在錨桿支護(hù)強(qiáng)度與剛度小于其臨界值時(shí)將處于不穩(wěn)定狀態(tài)。5)錨桿支護(hù)相關(guān)構(gòu)件相匹配原則。錨桿托板、螺母、鋼帶等相關(guān)構(gòu)件的參數(shù)及其力學(xué)性能必須與選擇的錨相匹配,錨索與錨桿的相關(guān)參數(shù)與力學(xué)性也應(yīng)當(dāng)相匹配,這樣才能有效發(fā)揮錨桿支護(hù)系統(tǒng)的整體支護(hù)作用。6)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)可操作性原則。7)經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性原則。

3.2支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

考慮到掘進(jìn)過程中設(shè)備尺寸,通風(fēng)要求和巷道圍巖變形預(yù)留量,設(shè)計(jì)南三采區(qū)12313工作面正巷掘進(jìn)斷面尺寸:巷道斷面呈矩形,寬4.5m,高3.5m,掘進(jìn)斷面積15.75 m2。

3.2.1頂板支護(hù)

錨桿:桿體為20#左旋無縱筋螺紋鋼筋,牌號(hào)400,長度2.4 m,桿尾螺紋為M22,錨桿尾部螺紋段長度不小于100 mm。樹脂全長錨固,采用兩支低粘度錨固劑,一支規(guī)格為CK2380,另一支規(guī)格為K2360。鉆孔直徑為28 mm,錨固長度1 900 mm。錨桿排距1 000 mm,每排5根錨桿,間距950 mm。錨桿預(yù)緊力矩:≥300 N·m。

鋼帶規(guī)格:采用W鋼帶,采用寬度為210 mm,厚度為3 mm,長度為4 000 mm的W鋼帶護(hù)頂。

錨桿配件:采用高強(qiáng)錨桿螺母M22×2.5 mm,配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈,托盤采用拱型高強(qiáng)度托盤,規(guī)格為120 mm×120 mm×10 mm,承載能力不低于186 kN。

錨索:錨索材料為Φ17.8 mm,1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,長度5 300 mm,鉆孔直徑30 mm,采用一支CK2380和兩支K2360低粘度樹脂藥卷錨固,錨固長度2 700 mm;錨索預(yù)緊力:250 kN。

錨索托盤:采用300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具。

錨索布置:錨索采用“二二”間隔布置,每排打2根錨索,錨索間距1 900 mm,錨索排距為2 000 mm,垂直頂板巖層。

3.2.2兩幫支護(hù)

錨桿:桿體為20#左旋無縱筋螺紋鋼筋,長度2.0 m,桿尾螺紋為M22,錨桿尾部螺紋段長度不小于100 mm。樹脂加長錨固,采用一支低粘度錨固劑,規(guī)格為K2360,鉆孔直徑為28 mm,錨固長度800 mm。錨桿預(yù)緊力矩:≥300 N·m。

鋼護(hù)板規(guī)格:采用W鋼護(hù)板護(hù)幫,寬度為280 mm,厚度為3 mm,長度為300 mm。

錨桿配件:采用高強(qiáng)錨桿螺母M22×2.5 mm,配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈,托盤采用拱型高強(qiáng)度托盤,規(guī)格為120 mm×120 mm×10 mm,承載能力不低于186 kN。

錨桿布置:錨桿排距1 000 mm,每排每幫3根錨桿,間距1 200 mm。

錨桿角度: 垂直巷幫打設(shè)。

12313工作面正巷支護(hù)設(shè)計(jì)見圖8。

圖8 12313正巷支護(hù)設(shè)計(jì)方案Fig. 8 Supporting design for No. 12313 roadway

4 結(jié)束語

在該設(shè)計(jì)方案實(shí)施之后,通過礦壓監(jiān)測(cè)的手段對(duì)12313正巷圍巖變化情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè),在12313正巷每隔50 m布置礦壓觀測(cè)點(diǎn)。在12313工作面回采期間,正巷圍巖變形量、錨桿錨索受力都因動(dòng)壓影響而開始增加,并且在與工作面距離小于7 m時(shí)出現(xiàn)了最大值,頂錨桿和幫錨桿拉應(yīng)力分別為55.7 kN和56.3 kN,錨索拉應(yīng)力為149.7 kN;頂板和兩幫變形量分別為75.6 mm和49.2 mm。由此可見,該支護(hù)方案能夠較好的控制復(fù)合頂板動(dòng)壓影響下巷道的圍巖變形,在全礦范圍內(nèi)推廣具有實(shí)用價(jià)值。

[1] 郭相平, 張占濤. 復(fù)合頂板動(dòng)壓巷道錨索失效機(jī)理及合理預(yù)應(yīng)力研究[J].煤炭工程,2015,47(11):48-51.

GUO Xiangping,ZHANG Zhantao.Study on Rock Cable Failure Mechanism and Reasonable Reload in Dynamic Pressure Roadway with Compound Roof [J].Coal Engineering,2015,47(11):48-51.

[2] 李明國,劉端舉,龐繼祿,等.動(dòng)壓影響下復(fù)合頂板支護(hù)技術(shù) [J].煤礦開采,2008,13(2):61-62.

LI Mingguo,LIU Duanju,PANG Jilu,etal.Supporting Technology of Combined Roof Fluenced by Dynamic Pressure [J].Coal Mining Technology,2015,47(11):48-51.

SupportingTechnologyUnderDynamicPressureinRoadwaywithCompoundRoofinNo. 2CoalSeaminXiquMine

NIE Maogen

(XiquMine,ShanxiXishanCoal&ElectricityCo.,Ltd.,Gujiao030200,China)

The roadway support of No.12313 working face is influenced by dynamic pressure from compound roof on No. 2 coal seam in South Panel 3 of Xiqu Mine. Taking the support as engineering background, theoretical analysis, numerical simulation and mine pressure monitoring were integrated to study the reasonable supporting parameters, which has achieved ideal economic and technical effects and could guarantee safe and efficient production of No.2 coal working face under the dynamic pressure from the compound roof.

compound roof;gateway;supporting design;numerical simulation

1672-5050(2017)02-0050-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.014

2017-03-02

聶茂根(1972-),男,山西忻州人,大學(xué)本科,工程師,從事煤礦開采技術(shù)管理工作。

TD353

A

(編輯:武曉平)