李學(xué)金
(山西省段王煤業(yè)集團有限公司,山西 晉中 045400)
山西壽陽縣段王煤礦9#煤層位于太原組上部,在本井田大部分地區(qū)與8#煤層合并,分層間距0~14.85m,平均2.03m。8#煤層分層厚度0~2.53m,平均 1.24m,結(jié)構(gòu)簡單,含 0~1層夾矸,夾矸單層最大厚度為0.25m;9#煤層厚度0.80~6.70m,平均4.22m,含0~4層夾矸,結(jié)構(gòu)簡單~復(fù)雜,夾矸單層最大厚度為0.90m。
8#煤層頂板為砂質(zhì)泥巖,厚度5.0~14.3m,平均6.70m。與9#煤層合并區(qū),底板為9#煤層底板;在非合并區(qū),底板為泥巖,厚度0~14.85m。9#煤層與8#煤層合并區(qū),頂板為8#煤層頂板;在非合并區(qū),頂板為泥巖、炭質(zhì)泥巖。底板為細砂巖,厚度3.12~6.20m,平均4.10m,節(jié)理、裂隙較發(fā)育。
由于在本井田大部分地區(qū),8#煤層與9#煤層合并,因此8+9#煤層采用聯(lián)合開采。在090507工作面范圍內(nèi),兩煤層間距在0~0.9m,平均0.6m,預(yù)計工作面推采至切眼向東560m左右時8+9#煤合并,平均厚度4.6m。090507回風(fēng)巷為8+9#煤層服務(wù),如何解決厚層復(fù)合頂板大斷面煤巷的圍巖控制穩(wěn)定問題,成為該礦安全回采的關(guān)鍵課題之一。
(1)厚層復(fù)合頂板煤巷屬于軟巖、采動影響綜合作用的巷道,表現(xiàn)為全斷面來壓,不僅在掘進和回采過程中,巷道因采掘影響引起圍巖劇烈變形,而且在應(yīng)力分布趨向穩(wěn)定后仍保持快速流變,維護十分困難。
(2)斷面尺寸大。巷道斷面設(shè)計規(guī)格為4500mm×3500mm,開切眼跨度達到7200mm。對巷道支護強度提出了更高的要求。
(3)巷道層位問題。8+9#煤層巷道層位跟進困難,面臨跟進9煤頂板、底板或者破頂一段距離等多種選擇,并且在厚層復(fù)合頂板易垮落下沉的情況下很難跟進一個標志性層位。
(4)頂板兜冒問題。雖然8+9#煤采用了網(wǎng)孔較小的菱形金屬網(wǎng)配合鋼筋梯子梁護表支護起到一定作用,但是頂板兜冒問題仍然嚴重。工人需及時剪網(wǎng)放兜冒,費工費時費物料。
巷道斷面為矩形,斷面尺寸為:寬×高=4.5m×3.5m,計算模型尺寸寬×高=54.5m×45.5mm,共劃分20056個單元,模型的左、右、下邊界均為位移固定約束邊界,上邊界為應(yīng)力邊界,按上覆巖層厚度施加均布載荷。考慮巖層所處層位,在模型上邊界施加巖層自重應(yīng)力4.28MPa,水平應(yīng)力自下至上以應(yīng)力梯度為25kPa/m的速度減小,模型的底部其應(yīng)力為5.42MPa。巖石相關(guān)力學(xué)參數(shù)參照表1選取。
表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)
巷道開挖后未支護時的垂直應(yīng)力場如圖1所示,從應(yīng)力圖中可見巷道的頂板中部和底板中部均出現(xiàn)大面積的零應(yīng)力區(qū)域甚至張拉應(yīng)力區(qū),說明巷道頂板已經(jīng)發(fā)生大面積冒落,巷道底板碎脹鼓起。頂板和幫部的應(yīng)力集中區(qū)域向遠離巷道表面的方向發(fā)展,說明巷道表面圍巖受壓破碎松動圈較大。
圖1 垂直應(yīng)力圖
圖2 塑性區(qū)分布規(guī)律圖
巷道開挖后塑性區(qū)分布如圖2所示,在巷道開挖過程中不可避免地在巷道周圍圍巖產(chǎn)生破碎塑性圈,未進行支護時的巷道塑性圈在巷道周圍呈現(xiàn)為近圓形的均勻分布,巷道的復(fù)合頂板發(fā)生大面積的剪切破壞。
巷道開挖至穩(wěn)定后,巷道的水平位移和垂直位移場如圖3所示。巷道左右兩幫的位移量都在75~90mm之間,幫部的變形較小,頂?shù)装逦灰屏繛?0~90mm,頂板的位移變形量較大,可見復(fù)合頂板的破壞下沉是巷道變形的主要原因。
圖3 巷道位移場分布圖
根據(jù)巷道工程地質(zhì)條件及數(shù)值模擬分析,確定支護方案及參數(shù),如圖4所示。
(1)頂板布置6根MSGLW-335/18×2200左旋無縱筋高強錨桿,間排距860×900mm,靠近巷幫的頂板錨桿安設(shè)角度為與鉛垂線成15°;長度4.5m的4700×75×12mm鋼帶,Φ12mm鋼筋焊制而成H型鋼筋梯子梁,配合鋼筋網(wǎng)護表;MSCK/Z2360雙速樹脂錨固劑、MSZ2335中速樹脂錨固劑各1支,加長錨固;預(yù)緊力40~60kN。
(2)頂板錨索為“2-2-2”布置形式,間排距為1720×900mm,外扎25°,規(guī)格為SKP15.24-7/1860,長度6.15m,采用兩支MSCK/Z2360超快速錨固劑錨固;每套錨索均應(yīng)采用萬向調(diào)心球墊,張拉力不小于80~120kN。
(3)兩幫各布置4根MSGM-235/16×1800左旋無縱筋高強錨桿,靠近頂?shù)装宓膸筒垮^桿安設(shè)角度為與水平線成15°;長度為3.7m的鋼帶,配合鐵絲網(wǎng)護表;MSCK/Z2360雙速樹脂錨固劑、MSZ2335中速樹脂錨固劑各1支,加長錨固;預(yù)緊力不小于30kN。
圖4 圍巖控制方案及參數(shù)
采用該支護方案,巷道在掘進及回采過程中經(jīng)受了煤巖蠕變、煤體風(fēng)化、工程擾動影響的考驗,圍巖變形較小,達到了預(yù)期的支護效果。說明在厚層復(fù)合頂板大斷面煤巷中,采用長錨桿、錨索配合槽鋼組成錨索梁加強支護,施加高預(yù)緊力,可以在頂板中形成穩(wěn)定的承載梁結(jié)構(gòu),對頂板離層及巷道的表面收斂起到有效的控制作用。