秦 澤
(山西蘭花集團莒山煤礦有限公司,山西 晉城 048027)
回風巷道是綜采工作面通風及輔助運輸?shù)闹匾ǖ溃瑢ぷ髅姘踩_采具有重要意義[1-3]。由于回風巷道服務于某一個或相鄰兩個工作面,受工作面采動影響較大,特別是在工作面附近區(qū)域巷道圍巖應力分布復雜,在持續(xù)采動影響下容易發(fā)生破壞變形而影響工作面安全生產。本文以莒山礦f3201綜采工作面回風順槽為工程背景,研究了巷道具體支護方案,并進行了現(xiàn)場實踐。
f3201工作面為2采區(qū)首采工作面,工作面所采的3號煤層位于山西組下部,煤層厚5.5~8.15m,平均厚6.18m,煤層結構簡單,含0~2層矸石。該煤層穩(wěn)定可采,煤層頂板以泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖為主,局部發(fā)育薄層泥巖偽頂;底板巖性為泥巖、砂質泥巖。工作面設計長度150m,推進長度1200m,采用綜放工藝回采,其中采2.2m,放4.0m,端頭不放煤。
f309回風順槽沿底板掘進,設計為矩形斷面,尺寸為3000mm×3000mm,考慮支護厚度,回風順槽掘進斷面設計尺寸為3200mm×3100mm。
工作面回采巷道布置之前,對3號煤層物理力學性質進行了實驗室測量,通過現(xiàn)場取樣、試件加工和多次測量,得出煤體物理力學參數(shù)見表1所示。經過對3號煤煤樣物理力學性質測試,結果表明3號煤強度較低并且節(jié)理裂隙較發(fā)育。經過以往采區(qū)回采巷道現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn),巷道施工現(xiàn)場存在局部冒頂現(xiàn)象,個別破碎的較大塊煤懸于頂板,存在一定的安全隱患,給現(xiàn)場施工和巷道支護造成一定的困難。因此需要對巷道進行合理支護,保障工作面安全生產。巷道支護示意圖如圖1所示。
f3201工作面回風順槽沿3號煤層底板掘進,屬于全煤巷道,采用FLAC3D有限差分數(shù)值模擬的系統(tǒng)分析法[4-6],綜合考慮地質條件、巷道埋深、巷道斷面、圍巖體力學性質、巷道服務年限、煤柱尺寸、錨固體力學性能等因素,確定巷道支護方案。
表1 試樣抗拉壓測試結果
錨桿采用高性能螺紋鋼錨桿,規(guī)格為Φ20mm×2000mm,頂錨桿和幫錨桿間排距均為800mm×800mm,錨桿孔直徑為Φ28mm。采用1卷K2335、1卷Z2360型樹脂藥卷加長錨固,錨固長度不少于1.0m。頂錨桿最低錨固力120kN,幫錨桿最低錨固力80kN,預緊扭矩不小于200N·m。托盤采用拱型高強度托盤,規(guī)格為120mm×120mm×8mm。鋼筋托梁采用Φ14mm的螺紋鋼焊接而成。鋼筋網(wǎng)采用10#鐵絲編織,網(wǎng)格為100mm×100mm,金屬網(wǎng)搭接長度100mm,搭接處用雙股14#鐵絲雙股雙排扣綁扎連接,搭接處必須利用鋼筋托梁和錨桿壓緊。噴射混凝土強度等級C20,配比為1:2:2,摻3%~5%速凝劑,初噴厚度50mm左右,要覆蓋住錨桿托盤。
錨索直徑為Φ15.24mm,錨索長度為8300mm,錨索采用2-0-1-0方式布置,間排距為1600mm×1600mm;孔徑為Φ32mm,采用1卷CK2335、2卷Z2360型樹脂藥卷加長錨固;其極限承載力為260kN,延展率為3.5 %;采用高強度可調心托盤,規(guī)格為300mm×300mm×20mm,并采用專用錨具與設備進行張拉、固定和切割。頂板錨索施工完成后,進行復噴混凝土。復噴混凝土厚度50mm,使噴層總厚度達到100mm,并要覆蓋住錨索托盤。
由于煤層厚度的變化,若底板巖性較差時,建議對底板進行硬化處理,以維持煤幫的穩(wěn)定及安全。鋪底厚度為100mm,混凝土強度不低于C15。若巷道底板底臌嚴重時,可采用錨桿與錨索聯(lián)合支護或自鉆式內注漿錨桿進行加固。
圖1 巷道支護示意圖
為驗證巷道支護效果,f3201工作面回采之前在距切眼300m位置布置測站,監(jiān)測巷道圍巖變形及錨桿錨固力,同時在回風順槽超前支護區(qū)域超前支架立柱上布置立柱應力監(jiān)測儀,監(jiān)測巷道超前應力分布規(guī)律。
圖2為巷道超前支護阻力與距工作面距離變化關系曲線。由圖可知,巷道超前影響范圍為工作面前方約18m。在工作面前方0~4m范圍內超前壓力較小,約為2MPa,工作面前方4~6m范圍內應力小幅度增大,工作面超前最大應力約為15MPa,位于工作面前方約7.7m處。隨著超前工作面距離的增大壓力逐漸降低,在工作面前方約16.7m處壓力逐漸保持穩(wěn)定,壓力大小與原巖應力大致相同。
進一步分析可知,回風順槽超前壓力影響范圍較小,高應力區(qū)為工作面前方約7~11m處,該范圍對巷道圍巖穩(wěn)定性影響較大,其余超前區(qū)域對巷道穩(wěn)定型影響較小。
圖2 巷道超前壓力曲線
圖3為巷道圍巖頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟考白冃嗡俣惹€。由圖可知,隨著工作面的臨近,巷道頂?shù)装逡平?、移近速度、兩幫移近量、移近速度呈逐漸增大趨勢。在工作面前方30~40m范圍內巷道兩幫移近量及移近速度基本保持不變,頂?shù)装逡平考耙平俣刃》仍龃螅辉诠ぷ髅媲胺?0~30m范圍內巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平亢鸵平俣瘸市》仍龃筅厔?;在工作面前?~10m范圍內巷道圍巖變形量和變形速度大幅度增大:工作面附近頂?shù)装逡平考s為25mm,移近速度約為6mm/d,兩幫移近量約為22mm,移近速度約為2.9mm/d。由此可知工作面回采期間巷道變形量及變形速度相對較小,在采動影響下巷道圍巖可以基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。
圖3 巷道圍巖變形量及變形速度曲線
圖4為采動期間巷道錨桿受力隨工作面推進距離變化關系曲線。由圖可知隨著工作面的推進,巷道錨桿所受應力呈逐漸增大趨勢:在工作面前方13m范圍以外巷道錨桿應力在2kN以內,所受應力較??;在工作面前方0~13m范圍內受采動影響較大,錨桿應力逐漸增大;在工作面附近應力達到最大值,約為18kN。錨桿最大應力仍小于錨桿設計的最小錨固力,表明錨桿支護參數(shù)合理,
錨桿支護系統(tǒng)可有效控制巷道圍巖變形,滿足安全生產要求。
圖4 巷道錨桿應力曲線
結合莒山礦f3201工作面回風順槽實際煤層賦存條件及開采技術條件,考慮煤巖體實際物理力學參數(shù),基于數(shù)值模擬分析方法,綜合考慮各影響因素給出了回風順槽支護方案,并對該支護方案下巷道超前壓力、巷道圍巖變形及錨桿受力情況進行了現(xiàn)場監(jiān)測。實踐表明巷道支護方案合理有效,可滿足工作面回風及輔助運輸要求。