李士杰
(潞安礦業(yè)集團(tuán)李村煤礦建設(shè)管理處,山西 長治 046604)
隨著礦井的產(chǎn)量增加及礦山設(shè)備性能朝著大型化、機(jī)械自動化方向發(fā)展,開掘大斷面采區(qū)巷道已成為必然趨勢[1-2]。李村礦新開掘的大斷面二采區(qū)膠帶巷服務(wù)多個生產(chǎn)工作面,初期巷道變形量小,但隨著生產(chǎn)的不斷進(jìn)行,巷道受到的采動應(yīng)力疊加效應(yīng)增加,出現(xiàn)頂板變形、巷道向內(nèi)膨脹收斂,導(dǎo)致錨桿索失效脫落[3-4],不利于巷道的維護(hù)。本文結(jié)合礦井開掘巷道實際情況制定合理的支護(hù)方案展開研究。
潞安集團(tuán)李村礦井田位于山西省沁水煤田南部,位于長子縣南小河村與南李村之間。井田東側(cè)為霍爾辛赫井田,南部為潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)公司。其開采的為3#煤層,煤層埋深在520m左右,平均厚度4.2m,傾角3~8°。煤層上方直接頂為粉砂巖,厚度4m,結(jié)構(gòu)松散,強(qiáng)度較低?;卷敒榧?xì)粒砂巖,厚度為12m,底板為砂質(zhì)泥巖,厚度4m(圖1)。煤層屬不自燃煤層,煤塵具有一定爆炸危險性。
圖1 礦井柱狀圖
二采區(qū)膠帶巷設(shè)計長度1387m,巷道設(shè)計斷面為矩形,掘進(jìn)寬度6000mm,掘進(jìn)高度4200mm。煤層中開掘巷道后,形成一個自由空間失去三向受力平衡,在徑向上失去支撐,應(yīng)力重新分布打破原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)。考慮到巷道頂板松軟和巷幫煤體強(qiáng)度低的情況,同時巷道周圍圍巖巖性差,易發(fā)生破壞、頂?shù)装逡平?、兩巷道幫向?nèi)收斂的現(xiàn)象,根據(jù)相鄰礦井地質(zhì)資料和支護(hù)情況制定出錨桿+錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方案(圖2)。
(1)錨桿:采用桿體為Φ22mm×2400mm(左旋無縱筋螺紋鋼筋)。頂部錨桿間排距800×1000mm;幫部錨桿間排距900×1000mm,其中巷幫底角錨桿配合一塊W鋼護(hù)板支護(hù),矩形布置,每根錨桿使用MSCK2335、MSZ2360各一支樹脂錨固劑。
(2)錨索:采用Φ22mm×7300mm的錨索(1×19股高強(qiáng)度松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線)。巷頂錨索間排距1400×2000mm,即隔排打設(shè)4根,錨固長度1800mm。每根錨索使用MSCK2335一支、MSZ2360兩支樹脂錨固劑。
圖2 二采區(qū)膠帶巷道支護(hù)參數(shù)
通過數(shù)值模擬驗證二采區(qū)膠帶巷的支護(hù)參數(shù)合理性。FLAC3D5.01是一款有限差分軟件,依據(jù)應(yīng)變增量來算出應(yīng)力增量,然后計算得出不平衡力。對動態(tài)問題如大變形、失穩(wěn)有較好的應(yīng)用。模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,相關(guān)的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。對綜放開采工作面進(jìn)行模擬。模擬模型尺寸:長×寬×高=250m×300m×68m,巷道斷面=4.2m×6m。煤層埋深520m,容重取25kN/m3。限制模型底面和前后、左右的位移,頂部設(shè)置為自由面,施加13MPa垂直應(yīng)力(圖3)。巷道開挖后,巷道斷面按照Cable單元模擬錨桿(索)支護(hù),對比未支護(hù)和優(yōu)化后支護(hù)方案情況對比。
圖3 數(shù)值模型建立
根據(jù)礦井的相關(guān)地質(zhì)資料和相關(guān)實驗室內(nèi)的力學(xué)試驗,確定了煤層和其他巖層的力學(xué)參數(shù)(表1)。具體計算公式如下:
式中:
E-彈性模量,GPa;
μ-泊松比;
G-剪切模量,GPa;
K-體積模量,GPa。
圖4 無支護(hù)和優(yōu)化后支護(hù)方案塑性區(qū)對比圖
采用優(yōu)化后的支護(hù)方案支護(hù)效果明顯優(yōu)于無支護(hù)方案,由圖4(a)可以看出塑性區(qū)最大影響范圍達(dá)到5m,類似于“X”型破壞,而圖4(b)可以看出塑性區(qū)影響范圍縮小,說明錨桿索對頂板和兩幫起到支護(hù)作用。
在滯后掘進(jìn)工作面迎頭100m處,設(shè)置測點進(jìn)行60d的巷道圍巖位移量的測量。通過十字測量法,對二采區(qū)膠帶巷頂?shù)装逡七M(jìn)量和兩幫移進(jìn)量進(jìn)行監(jiān)測。觀察巷道圍巖變化情況。具體情況如下:頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平吭诘?~30d的巷道變形增長速率較快,第31~60d巷道圍巖變形量保持平穩(wěn)狀態(tài)。頂?shù)装逡平淖畲笪灰剖?09mm,兩幫移近的最大位移是77mm,都在圍巖允許變形的范圍內(nèi)(圖5)。通過測量位移量后,得出優(yōu)化后的支護(hù)方案和參數(shù)可有效控制巷道圍巖變形量。
表1 巖石力學(xué)參數(shù)
大斷面巷道支護(hù)方案確定后,采用FLAC3D數(shù)值軟件模擬塑性區(qū),通過對優(yōu)化后的支護(hù)方案和無支護(hù)兩種形式對比,可以看出優(yōu)化后的支護(hù)方案塑性區(qū)明顯減小,說明錨桿索支護(hù)起到了較大支護(hù)作用?,F(xiàn)場測量數(shù)據(jù)表明,圍巖變形量保持一個穩(wěn)定狀態(tài),能夠滿足二采區(qū)工作面回采需要。
圖5 巷道位移量