栗芃鵬
(潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司常村煤礦,山西 長(zhǎng)治 046000)
隨著礦井的開采,地質(zhì)條件不斷復(fù)雜化,巷道圍巖穩(wěn)定性變差,特別是對(duì)山西省的一些衰老煤礦而言,開采年限不斷縮短,開采深度快速延伸,采掘銜接困難頻繁出現(xiàn)[1-3]。為此多數(shù)礦井采用高強(qiáng)度支護(hù)系統(tǒng),而底板是敞開式的無支護(hù)體系,加上圍巖裂隙水和生產(chǎn)用水的影響,其泥化效應(yīng)加劇巷道底板變形破壞[4]。
常村煤礦位于山西省屯留縣,煤種為中灰、特低硫磷、特高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)煤。3#煤位于山西組的中、下部,為全井田可采,煤層埋深為470m。根據(jù)兩巷探煤厚點(diǎn)統(tǒng)計(jì)確定該工作面煤層總厚為5.62~6.12m,平均厚度為5.66m,含夾矸0~1層,平均厚度為0.05m。工作面頂?shù)装鍘r性為:基本頂為中粒砂巖,平均厚度3.85m,直接頂為粉砂巖,平均厚度3.15m,直接底為中粒砂巖,平均厚度1.33m,基本底為粉砂巖,平均厚度1.33m。
2101工作面采用“一進(jìn)一回”的巷道布置方式,兩條巷道均由南向北布置(圖1)。2101工作面傾向長(zhǎng)度為245m,走向長(zhǎng)度1272.4m。運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道斷面呈矩形,巷道寬5m,凈高 3.5m,凈斷面積17.5m2。巷道采用高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿+雙鋼筋托梁+網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)形式。
圖1 工作面布置情況
(1)頂板支護(hù):每排6根頂錨桿,錨桿間距900mm,排距900mm;錨索每排2根,小三花布置,間距1200mm,排距1200mm。鋼筋托梁規(guī)格型號(hào)為:Φ16×4300mm×1000mm×120mm(5眼)。金屬網(wǎng)規(guī)格:4600×1100mm。
(2)巷道兩幫:每排3根錨桿,錨桿間距1300mm,排距1000mm,幫頂角錨桿距離頂板為400mm,幫底角錨桿距底板為500mm。
(3)底板無支護(hù)。
圖2 現(xiàn)有巷道支護(hù)系統(tǒng)
支護(hù)體可以較好地控制頂板下沉和兩幫收斂,但是對(duì)于防止底鼓還不夠。
為了觀測(cè)巷道底鼓量,采用十字交叉方法測(cè)量巷道移近量。發(fā)現(xiàn)巷道兩幫移近量不大,而無支護(hù)的底板變形量較大,達(dá)到700~1200mm,已經(jīng)嚴(yán)重影響到工作面正常生產(chǎn)。
為更加清楚底鼓變形的機(jī)理,建立FLAC3D數(shù)值模型進(jìn)行分析。模型采用M-C本構(gòu)模型,具體的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。采用模擬模型尺寸:長(zhǎng)30m,寬10m,高21m,巷道斷面5m×3.5m。煤層埋深470m,容重25kN/m3。限制模型前后左右和底面五個(gè)面的位移,上部為自由面,施加11.75MPa垂直應(yīng)力,側(cè)邊施加12MPa的水平應(yīng)力(見圖3)。
表1 巖石力學(xué)參數(shù)
圖3 初始狀態(tài)的數(shù)值模擬
圖4 巷道位移量和塑性區(qū)
通過觀測(cè)巷道的位移量,可明顯看到在垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的共同作用下,巷道底臌量達(dá)到1000mm。從巷道的塑性區(qū)可以看到,底板有較大部分進(jìn)入塑性狀態(tài),造成巷道底板更加易破壞(圖4),從而驗(yàn)證了礦井實(shí)際生產(chǎn)中,巷道底板無支護(hù)底臌的移近量較大。巷道底板若不采取支護(hù)措施,必然會(huì)導(dǎo)致礦井生產(chǎn)活動(dòng)受限。
圖5 底板加固效果
考慮到巷道底板控制的重要性,采用整體進(jìn)行反底拱澆筑作業(yè),開挖掉失效巖體形成強(qiáng)力基礎(chǔ)梁結(jié)構(gòu),繼而進(jìn)行錨桿注漿加固(圖5),增加底板的抗剪切能力,減小水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力下的底板破壞。水平應(yīng)力Fx1和垂直應(yīng)力Fz1通過底角錨桿的作用,化為軸向方向的合力抵消部分作用;錨桿法向方向的合力增強(qiáng),限制底板向中間涌出破壞,使得底板具有一定的抗彎特性。
現(xiàn)有的支護(hù)體系主要是對(duì)頂板和兩幫進(jìn)行控制,而對(duì)底板控制較少。隨著采深和機(jī)械化程度的增高,底板破壞量越來越大,礦井實(shí)際的底臌量達(dá)到700~1200mm,嚴(yán)重影響正常礦井生產(chǎn)。通過模擬法也驗(yàn)證在地應(yīng)力的作用下,巷道底鼓量較大。為此,應(yīng)當(dāng)采用底板“反底拱+注漿+錨桿”支護(hù),有效控制巷道的底臌。