崔林柱

（西山煤電集團(tuán)馬蘭礦,山西 古交 030205)

1672-5050（2017)05-0038-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.10.010

2017-08-15

崔林柱（1976-),男,山西繁峙人,碩士研究生,工程師,從事采礦技術(shù)管理工作。

采動(dòng)影響下車場(chǎng)交岔巷道支護(hù)方案模擬與應(yīng)用

崔林柱

（西山煤電集團(tuán)馬蘭礦,山西 古交 030205)

針對(duì)車場(chǎng)復(fù)雜交錯(cuò)巷道的圍巖穩(wěn)定性差的問(wèn)題,以晶鑫煤礦二采區(qū)車場(chǎng)為研究對(duì)象,根據(jù)其實(shí)際地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件提出了“錨桿+錨索+網(wǎng)+鋼梁”聯(lián)合支護(hù)方案,并通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。分析表明,所提出的圍巖控制支護(hù)結(jié)構(gòu)位于圍巖承載區(qū)的穩(wěn)定巖層位置,可與圍巖承載體共同起到良好的支護(hù)作用,能夠充分發(fā)揮破碎巖體的錨固作用,對(duì)車場(chǎng)巷道變形的控制效果是顯著的,可為其他類似條件下的礦井巷道支護(hù)提供參考。

聯(lián)合支護(hù);交錯(cuò)巷道;圍巖控制;數(shù)值模擬

工作面在回采過(guò)程中,在受采動(dòng)影響的條件下,巷道圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生明顯變化,并呈現(xiàn)出顯著的不均勻應(yīng)力分布狀態(tài),從而造成巷道發(fā)生變形破壞,給生產(chǎn)帶來(lái)冒頂或片幫的嚴(yán)重安全隱患[1-2]。

對(duì)于軟巖交叉巷道而言,由于巷道斷面積相對(duì)較大,再加應(yīng)力集中明顯,經(jīng)常導(dǎo)致交叉點(diǎn)圍巖體失穩(wěn),屢屢翻修支護(hù),不僅浪費(fèi)人力物力,而且還給生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患[3-4]。深部軟巖交岔巷道的原巖各應(yīng)力均大于圍巖強(qiáng)度,當(dāng)開(kāi)挖完成后,巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)二次重新分布,形成新的地應(yīng)力場(chǎng)[5-6]。本文以晶鑫煤礦為工程背景,提出交錯(cuò)巷道在受采動(dòng)影響下的支護(hù)優(yōu)化方案,利用數(shù)值模擬方法和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行效果分析,為類似工程提供參考。

1 晶鑫煤礦概況

晶鑫煤礦井田面積5.132 5 km2,采用斜井開(kāi)拓,礦井通風(fēng)方式為中央分列抽出式,開(kāi)采深度+670 m～470 m標(biāo)高,主采3號(hào)煤層,生產(chǎn)能力為60萬(wàn)t/a。工作面采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤法,全部垮落法管理頂板。

全礦井共劃分3個(gè)采區(qū),一采區(qū)（井田中部已采空)、二采區(qū)（井田西部現(xiàn)開(kāi)采)、三采區(qū)（整合清林溝井田,接替采區(qū))。二采區(qū)3號(hào)煤層厚度5.55 m～6.55 m,平均厚6.02 m,煤層傾角1°～3°。該煤層常有薄層炭質(zhì)泥巖偽頂,偽頂平均厚0.59 m;直接頂板多為灰黑色粉砂巖或細(xì)砂巖,平均厚度8.02 m;基本頂為（粗)砂巖,平均厚27.81 m;直接底為泥巖,平均厚2.36 m。

2 車場(chǎng)巷道支護(hù)方案優(yōu)化

020902車場(chǎng)巷道布置交錯(cuò)復(fù)雜,部分巷道與020902工作面的回風(fēng)巷道及021002工作面的運(yùn)輸巷道相連,在回采末期將會(huì)受到3號(hào)煤層采動(dòng)影響,導(dǎo)致巷道群圍巖承載體受多重應(yīng)力疊加,造成其穩(wěn)定性嚴(yán)重降低,嚴(yán)重影響車場(chǎng)圍巖支護(hù)穩(wěn)定,尤其是在車場(chǎng)相互交錯(cuò)復(fù)雜的巷道[7]。

針對(duì)二采區(qū)車場(chǎng)的實(shí)際條件,車場(chǎng)與902材料繞道及鄰近901運(yùn)輸順槽相連的交岔位置,巷道斷面較大,各巷間圍巖體尺寸較小且穩(wěn)定性較差;車場(chǎng)范圍內(nèi),901運(yùn)輸順槽和902回風(fēng)順槽的連接處呈“三角形”交岔,即多巷道交岔布置,導(dǎo)致承載結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)較大而其穩(wěn)定性越差。為此,根據(jù)相關(guān)理論分析提出了“錨桿+錨索+網(wǎng)+鋼梁”聯(lián)合支護(hù)優(yōu)化方案,并通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行支護(hù)效果對(duì)比分析。

對(duì)于車場(chǎng)巷道圍巖穩(wěn)定性相對(duì)較差的K型交岔巷道,提出的優(yōu)化支護(hù)措施如下:

1)錨桿均選Φ=20 mm,L=2.5 m的BH3RB

55高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿,車場(chǎng)頂板錨桿間距0.75 m、排距0.8 m,兩幫錨桿間排距均0.8 m,兩側(cè)向外傾斜20°。

2)錨索選用的鋼絞線為Φ=17.8 mm,L=7.3 m。車場(chǎng)每排布置3根,向外傾斜20°,間距2.6 m、排距1.6 m,垂直于拱形煤壁打入且錨索托板緊貼煤壁,錨索漏出長(zhǎng)度150 mm ～250 mm。

3)錨固劑選用MSCK2335、MSZ2360型/

4)金屬網(wǎng)選用規(guī)格Φ=4.0 mm,長(zhǎng)寬為10×0.9 m,網(wǎng)間搭接100 mm。

5)錨梁選用12#鋼筋梯子梁,車場(chǎng)頂部錨梁長(zhǎng)3.8 m,孔距0.75 m,幫部錨梁長(zhǎng)2.1 m,孔距1 m,聯(lián)絡(luò)巷頂部錨梁長(zhǎng)6.5 m,孔距0.8 m,幫部錨梁長(zhǎng)0.9 m,孔距0.8 m。

6)在車場(chǎng)巷道特殊連接處實(shí)施29U型鋼支架,斷面3700 mm2,且車場(chǎng)巷道噴射混凝土。

3 車場(chǎng)聯(lián)合支護(hù)效果分析

針對(duì)以上提出的聯(lián)合支護(hù)優(yōu)化方案,分別通過(guò)利用數(shù)值模擬技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面其對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行了分析。

3.1數(shù)值模擬支護(hù)效果分析

該車場(chǎng)巷道群交岔點(diǎn)多且巷道斷面大,各巷間“三角形”圍巖體承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相對(duì)較差,其邊緣均存在不利于圍巖穩(wěn)定的隱患。針對(duì)這一位置的圍巖穩(wěn)定性提出錨桿+網(wǎng)+鋼架+錨索的圍巖控制對(duì)策的支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性說(shuō)明采取該錨桿聯(lián)合支護(hù)方案是有效性。

根據(jù)晶鑫煤礦二采區(qū)車場(chǎng)的地質(zhì)條件,建立了相應(yīng)的車場(chǎng)巷道物理模型,通過(guò)合理簡(jiǎn)化模擬條件和科學(xué)設(shè)定模擬參數(shù),針對(duì)車場(chǎng)圍巖穩(wěn)定薄弱部位,即多條巷道相連接的呈“K+I”型復(fù)雜交岔位置,采取聯(lián)合支護(hù)優(yōu)化后對(duì)復(fù)雜交岔巷道圍巖控制效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,分別得到了位移云圖和應(yīng)力分布云圖,見(jiàn)圖1、圖2。

1-a 垂直位移變化

1-b 水平位移變化圖1 優(yōu)化支護(hù)后的交岔巷道圍巖體位移變化云圖Fig.1 Cloud map of displacement variation of surrounding rocks in intersected roadways after supporting optimization

交叉相鄰巷道圍巖體所受垂直應(yīng)力主要分布在雙巷的頂板和底板,見(jiàn)圖1，集中表現(xiàn)在頂板,呈半橢圓形,輻射區(qū)域較大且位移量也較大,最大值為87.2 mm;交叉相鄰巷道在水平方面,應(yīng)力集中現(xiàn)象在兩巷道的外側(cè)幫部表現(xiàn)最為明顯,由巷道的外側(cè)頂角至外側(cè)底角呈弧狀向外側(cè)輻射,在巷道幫部和底角處圍巖體最大水平位移為56.4 mm。由此可知,通過(guò)錨桿索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)來(lái)維護(hù)交岔巷道的外圍幫部和頂板巖體穩(wěn)定是正確的。

2-a 垂直應(yīng)力分布

2-b 水平應(yīng)力分布圖2 優(yōu)化支護(hù)后的交岔巷道圍巖體應(yīng)力分布云圖Fig.2 Cloud map of stress distribution of surrounding rocks in intersected roadways after supporting optimization

通過(guò)分析圖2可知, 交岔巷道圍巖體垂直應(yīng)力集中表現(xiàn)在兩巷的頂板和底板,水平應(yīng)力集中表現(xiàn)在兩巷的幫部和底板。采用聯(lián)合支護(hù)方案后,復(fù)雜交岔巷道圍巖應(yīng)力集中載荷承載力有所提高;淺部圍巖受聯(lián)合支護(hù)的鋼架支護(hù)錨固作用其穩(wěn)定性得到了加強(qiáng);在交岔巷道兩邊的頂板和幫部錨桿恰好錨固于圍巖的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力集中區(qū)域。由此可見(jiàn),針對(duì)這一圍巖穩(wěn)定性較弱的區(qū)域所提出的圍巖控制支護(hù)結(jié)構(gòu)位于圍巖承載區(qū)的穩(wěn)定巖層位置,可以充分發(fā)揮破碎巖體的錨固作用,即該聯(lián)合支護(hù)優(yōu)化方案對(duì)復(fù)雜交岔巷道圍巖控制是有效的。

3.2車場(chǎng)巷道頂板離層監(jiān)測(cè)分析

1)監(jiān)測(cè)布置。頂板離層儀安裝在車場(chǎng)交岔巷道頂板的中間位置,鉆孔位于巷道中線且垂直打鉆,孔徑Φ27 mm,孔度7 m,將深部基點(diǎn)錨固器推至孔底,淺部基點(diǎn)錨固器推至2.2 m處,通過(guò)手拉測(cè)繩確認(rèn)錨固牢靠,防治錨固器脫錨導(dǎo)致離層儀失效。安裝完畢后,把內(nèi)、外測(cè)筒基讀數(shù)調(diào)整10 mm,頂板離層儀開(kāi)始工作。

2)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析。通過(guò)對(duì)車場(chǎng)巷道群交叉巷道頂板圍巖承載結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè),將監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制了離層情況隨時(shí)間的變化曲線,見(jiàn)圖3。

圖3 車場(chǎng)交岔巷道頂板離層監(jiān)測(cè)變化曲線Fig.3 Variation of roof separation in intersected roadways in shaft station

由圖3可知,頂板離層儀監(jiān)測(cè)顯示,前50 d頂板圍巖離層量不斷快速增加;在第50 d前后,淺孔變量與深空變量均達(dá)到最大離層量68 mm、67 mm,此后時(shí)間里,二者離層量區(qū)域穩(wěn)定,在65 mm ～68 mm范圍內(nèi)徘徊。由此說(shuō)明,在采區(qū)聯(lián)合支護(hù)后的50 d后,支護(hù)措施與圍巖承載體共同起到了支護(hù)作用,且對(duì)圍巖控制效果是比較顯著的。

同時(shí),由相關(guān)的巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,車場(chǎng)巷道群交岔巷道頂?shù)装遄冃瘟考s為150 mm,兩幫變形量約為80 mm,而車場(chǎng)其他巷道圍巖的變形破壞也基本得到了穩(wěn)定地控制,這說(shuō)明錨桿（索)+U型鋼聯(lián)合協(xié)調(diào)支護(hù)作用措施是有效的。

4 結(jié)論

通過(guò)分析車場(chǎng)復(fù)雜交錯(cuò)巷道的圍巖破壞情況,以晶鑫煤礦為研究對(duì)象,針對(duì)其地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件提出了聯(lián)合支護(hù)方案,并通過(guò)數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析得到以下結(jié)論:

1)由數(shù)值模擬分析得到,針對(duì)這一圍巖穩(wěn)定性較弱的區(qū)域所提出的圍巖控制支護(hù)結(jié)構(gòu)位于圍巖承載區(qū)的穩(wěn)定巖層位置;錨桿索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)可維護(hù)交岔巷道的外圍幫部和頂板巖體穩(wěn)定,充分發(fā)揮破碎巖體的錨固作用,即該聯(lián)合支護(hù)優(yōu)化方案對(duì)復(fù)雜交岔巷道圍巖控制是有效的。

2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可得到,聯(lián)合支護(hù)可與圍巖承載體共同起到良好的支護(hù)作用,對(duì)車場(chǎng)巷道變形的控制效果是顯著的,可為其它類似條件下的礦井巷道支護(hù)提供參考。

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SimulationandApplicationofSupportingPlanofIntersectedRoadwaysinShaftStationunderMiningDynamicLoad

CUILinzhu

（MalanMine,XishanCoal&ElectricityGroup,Gujiao030205,China)

To solve the poor stability of surrounding rocks in complex intersected roadways, taking No.2 mining shaft in Jingxin Mine as the study object, a combined supporting plan of bolt-anchor-mesh-beam was proposed on the actual geological and working condition. With numerical simulation and field monitoring, the results show that the supporting structure of the surrounding rocks is located on s
Table rocks, playing an ideal supporting role with its supporting body and a fully anchoring role in broken rocks. The structure effectively controlled the deformation of the shaft station, which could provide a reference for the similar mines.

combined supporting; intersected roadways; surrounding rock control; numerical simulation

TD741

A

（編輯:樊 敏)