張健鑫

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)， 山西 孝義 032300）

1 工程概況

12302采煤工作面位于本井田北部、北翼三采區(qū)東側(cè)，是三采區(qū)第四個(gè)回采工作面，整個(gè)工作面呈北偏東向南偏西方向布置。工作面的垂直深度為-592～-615m，地質(zhì)儲(chǔ)量 8.12Mt，可采儲(chǔ)量 5.55Mt。12302 采煤工作面主采煤層為石炭二疊系月門溝群太原組12下層煤，工作面范圍內(nèi)見煤點(diǎn)煤厚1.2～1.92m，平均1.6 m（含 0.1～0.4 m夾矸），屬中厚煤層，結(jié)構(gòu)中等，層位穩(wěn)定，煤層厚度變化較小，煤類單一。

12下煤層頂板為粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，硬度系數(shù)f=4；煤層偽底板為泥巖，底板為第八層石灰?guī)r，結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬，厚度約為6.2 m，硬度f=6.5。

2 巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和模擬分析

2.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)巷道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果以及動(dòng)壓巷道的圍巖變形控制原則，在保證經(jīng)濟(jì)合理的情況下，現(xiàn)提出以下三種動(dòng)壓巷道的支護(hù)方案：

選用無縱筋左旋螺紋鋼錨桿支護(hù)，錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2200 mm，頂板與實(shí)體煤側(cè)巷幫錨桿端頭錨固，錨桿間排距為800 mm×800 mm；右?guī)湾^桿全長(zhǎng)錨固，錨桿間排距為600 mm×800 mm，靠近頂板位置的錨桿與水平成20°安裝，如圖1所示。

圖1 支護(hù)方案示意圖（單位：mm）

2.2 數(shù)值分析模型建立

本文運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件中的摩爾一庫倫運(yùn)行準(zhǔn)則研究，在優(yōu)化支護(hù)的條件下12302工作面回采至12306工作面軌道巷不同位置處，12306軌道巷在受采動(dòng)與巷道掘進(jìn)復(fù)合影響下的圍巖應(yīng)力、變形及塑性區(qū)變化的規(guī)律，模擬巷道的煤巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所列[1]。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

模型尺寸為231 m×l80 m×100 m，模型Z軸方向上部為自由面，施加豎向荷載以模擬上覆巖層的自重載荷，模型Z軸方向底部限制垂直方向的位移，模型X、Y方向施加水平位移約束，其中沿X正方向布置12302工作面，12302回采工作面沿Y軸正方向推進(jìn)，由于工作面平均埋深為600 m，故模型上邊界施加15 MPa應(yīng)力值以模擬上覆巖層對(duì)煤層開采的影響。

2.3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

主要模擬研究12302工作面回采及12306工作面軌道巷掘進(jìn)復(fù)合作用下，采取三種優(yōu)化支護(hù)方案后的12306工作面軌道巷的位移量變化。重點(diǎn)選取工作面距掘進(jìn)巷道 70 m、40 m、0 m、-40 m、-80 m（“-”表示工作面推進(jìn)至掘進(jìn)巷道后方）五個(gè)位置處的位移量進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。

2.3.1 頂板下沉量

工作面從掘進(jìn)巷道前方70 m推進(jìn)至后方80 m過程中在70 m、40 m、0 m、-40 m、-80 m五個(gè)位置處的頂板下沉量分別為：7 mm、17.5 mm、60 mm、120 mm、140 mm如圖2所示。

圖2 頂板位移（單位：m）云圖

2.3.2 兩幫移近量

工作面從掘進(jìn)巷道前方70 m推進(jìn)至后方80 m過程中在70 m、40 m、0 m、-40 m、-80 m五個(gè)位置處的左幫移近量分別為 3.9 mm、22 mm、70 mm、40 mm、20 mm；右?guī)鸵平糠謩e為 3 mm、20 mm、60 mm、60 mm、40 mm，如圖 3所知。

圖3 兩幫位移（單位：m）云圖

由數(shù)值模擬分析可知，該方案能夠?qū)ο锏滥軌蛴行еёo(hù)，但具體支護(hù)效果仍需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

3 巷道位移監(jiān)測(cè)

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

在距離掘進(jìn)迎頭20 m、40 m位置處布置觀測(cè)站（如圖4所示），每個(gè)觀測(cè)站內(nèi)設(shè)置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為1 m，觀測(cè)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)巷道的垂直變形量與水平變形量，取平均值。由于巷道周圍各點(diǎn)的移動(dòng)值不同，各觀測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)斷面內(nèi)的空間位置一致，可縮小數(shù)據(jù)誤差。

測(cè)點(diǎn)是量測(cè)的基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)安設(shè)可靠，保證測(cè)點(diǎn)與圍巖同步位移。通常在圍巖上打一個(gè)100～200 mm的鉆孔，如果圍巖較破碎，鉆孔可更深一些。鉆孔直徑40 mm，在其中打入木楔，木楔上有作為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的基釘，測(cè)量過程中保護(hù)好基釘，以避免移動(dòng)和損壞[3]。

觀測(cè)方法為：在A、B之間拉緊鋼卷尺，C、D之間拉緊測(cè)繩，測(cè)讀AO、AB的值；在A、B之間拉緊測(cè)繩，C、D之間拉緊鋼卷尺，測(cè)讀CO、CD的值；測(cè)量精度要求達(dá)到1 mm，并估計(jì)出0.5 mm。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 觀測(cè)結(jié)果與分析

采用測(cè)桿和鋼卷尺進(jìn)行測(cè)量、讀取、記錄數(shù)據(jù)，每天檢修班進(jìn)行觀測(cè)，分別繪制出第I測(cè)站、第II測(cè)站的頂?shù)装逡平?、頂?shù)装逡平俾逝c兩幫移近量、兩幫收斂速率曲線，如圖5、圖6中所示。

3.2.1 掘進(jìn)期間巷道表面變形情況

第1測(cè)站頂?shù)装逡平孔畲鬄?66 mm，兩幫相對(duì)移近量為141 mm；第II測(cè)站頂?shù)装逡平孔畲鬄?52 mm，兩幫相對(duì)移近量為129 mm。巷道的頂板下沉量要明顯大于巷道的兩幫移近量。頂?shù)装逡平看蠹s是兩幫相對(duì)移近量的1.18～1.25倍。巷道頂?shù)装逡平炕旧鲜怯身敯逑鲁猎斐傻摹Ｏ锏理敯逑鲁亮考s占頂?shù)卓傋冃瘟康?4.9%[4]。

圖5 掘進(jìn)期間第I測(cè)站巷道變形曲線

第1測(cè)站頂板最大下沉量為140 mm，最大底鼓量為26 mm，頂板下沉最大速度為8 mm/d，底鼓最大速度為4.0 mm/d，項(xiàng)板下沉最大速度為底鼓最大速度的2倍；第II測(cè)站頂板最大下沉量為118 mm，最大底鼓量為34 mm，頂板下沉最大速度為7.8 mm/d，底鼓最大速度為3.7 mm/d，頂板下沉最大速度為底鼓最大速度的2.1倍。

圖6 掘進(jìn)期間第II測(cè)站巷道變形曲線

第II測(cè)站巷道左、右?guī)鸵七M(jìn)量分別為88 mm和34 mm，沿空側(cè)煤幫移進(jìn)量大于實(shí)體煤幫移進(jìn)量，表明巷道靠近采空區(qū)一幫的變形量明顯較大，約是實(shí)體煤幫變形量的2.6倍。

3.2.2 掘進(jìn)期間巷道表面位移速率變動(dòng)情況

通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，掘進(jìn)期間巷道主要變化量發(fā)生在測(cè)站設(shè)置之后16～18 d內(nèi)。速率的變化量主要集中在前8 d之內(nèi)。也就是說，圍巖的主要變形在掘進(jìn)后8 d之內(nèi)。這8 d之內(nèi)也是圍巖內(nèi)部變形能釋放的時(shí)間，之后趨于穩(wěn)定?？刂?2306軌道巷兩幫（尤其是沿空側(cè)煤幫）位移及頂板下沉是控制整個(gè)巷道圍巖強(qiáng)烈變化的關(guān)鍵。

3.2.3 掘進(jìn)期間的巷壓顯現(xiàn)

12306軌道巷是沿空巷道，一側(cè)是采空區(qū)，一側(cè)是未開采區(qū)，巷道布置在煤體當(dāng)中，應(yīng)力相對(duì)集中，支護(hù)難度大，由于兩幫壓力的不均衡，巷道的支護(hù)被推向采空區(qū)一側(cè)，造成巷道支護(hù)向采空區(qū)偏移，靠近小煤柱幫變形量大（見表2）。巷道一般是在掘出后16～18天內(nèi)巷道變形較為劇烈，然后逐步趨于穩(wěn)定[5-6]。

表2 掘進(jìn)期間巷道表面變形情況表

巷道頂板及兩幫在30 d內(nèi)的位移量均較小且位移量基本不再增加，兩幫及頂?shù)装逦灰屏烤^小，能夠保證礦井的正常使用。因此，12306軌道巷支護(hù)優(yōu)化方案，有效地控制了圍巖塑性區(qū)向煤體深部的擴(kuò)展，提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)巷道變形量，表明優(yōu)化后的12306軌道巷支護(hù)，有效地控制了圍巖塑性區(qū)向煤體深部的擴(kuò)展，提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性，可見支護(hù)優(yōu)化方案合理有效。

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