趙大維

【摘 要】 為緩解采面采掘接替緊張局面，針對深部開采堅(jiān)硬頂板工作面沿空留巷面臨圍巖控制困難問題，文章采用數(shù)值模擬技術(shù)對留巷巷道圍巖變形特征進(jìn)行分析，提出針對性巷道圍巖控制技術(shù)，并進(jìn)行了工程應(yīng)用。研究結(jié)果表明：1）深部條件堅(jiān)硬頂板工作面采用沿空留巷時(shí)采空區(qū)垮落頂板會(huì)加劇留巷段圍巖應(yīng)力集中程度，留巷段切頂高度以切斷堅(jiān)硬巖層為宜，就8506運(yùn)輸巷而言切頂高度宜為5.0m;2）根據(jù)8506工作面開采后采動(dòng)動(dòng)壓分布特征，提出分段對留巷段圍巖進(jìn)行控制，具體在采前用高強(qiáng)錨索+單體+切頂卸壓對巷道頂板進(jìn)行控制，采后用單體+擋矸支柱對圍巖及采空區(qū)內(nèi)矸石進(jìn)行控制;3）采面后方160m以外留巷圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，此時(shí)頂板、巷幫變形量最大值分別為132mm、25mm，巷道斷面收縮率在10%以內(nèi)。研究成果可為其他深部礦井堅(jiān)硬頂板工作面沿空留巷工作開展提供可靠經(jīng)驗(yàn)借鑒。

【關(guān)鍵詞】 深部開采;堅(jiān)硬頂板;沿空留巷;圍巖變形;切頂卸壓;補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

眾多研究學(xué)者對沿空留巷技術(shù)展開研究，并提出了高水充填、膏體充填以及柔模混凝土充填等留巷技術(shù)方法。本文采用數(shù)值模擬技術(shù)對深部開采堅(jiān)硬頂板沿空留巷圍巖運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析，并根據(jù)研究成果提出針對性圍巖控制技術(shù)。

1工程概況

山西某礦8506綜采工作面位于南翼5采區(qū)，采面設(shè)計(jì)回采長度為1460m，切眼長度為190m。采面開采的8號煤埋深在720～930m，煤厚2.1m，傾角6°，硬度（f值）0.8～1.2，賦存較為穩(wěn)定。在8506綜采工作面開采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，煤層瓦斯含量8.9m3/t，采面開采煤層具有地應(yīng)力高、埋深深特點(diǎn)，頂?shù)装鍘r性以堅(jiān)硬的石灰?guī)r為主，具體煤層頂板巖層巖性綜合柱狀圖見圖1。

2切頂卸壓留巷圍巖變形分析

為了給后續(xù)采面巷道留巷工作開展提供指導(dǎo)，文中采用FLAC3D軟件對切頂高度0m（不切頂）、3m、5m、8m等不同間距時(shí)沿空留巷巷道圍巖變形特征進(jìn)行分析。

2.1模擬模型構(gòu)建

構(gòu)建的模擬模型長400m、高200m，具體模擬中煤巖參數(shù)見表1。

根據(jù)采面開采的8號煤層埋深，在模型上部施加16.8MPa垂向應(yīng)力代表上覆巖層載荷，模型上部為自由邊界，左右兩側(cè)及下部均為固定邊界。采用切頂卸壓后巷道圍巖主要通過高強(qiáng)錨索、錨桿實(shí)現(xiàn)，因此在模擬時(shí)在對巷道圍巖施加錨網(wǎng)索支護(hù)。

2.2圍巖應(yīng)力分布

2.2.1垂向應(yīng)力分布

不同切頂高度時(shí)圍巖應(yīng)力分布見圖2。

除去巷道頂板靠近左幫位置存在有小范圍上向垂向應(yīng)力外，其余位置垂向應(yīng)力均向下分布且在頂板右?guī)徒俏恢么瓜驊?yīng)力最大，其中切頂0m、3m、5m、8m時(shí)頂板右?guī)徒俏恢脩?yīng)力峰值分別為23.5MPa、21.6MPa、18.9MPa、18.6MPa。在巷道底板位置垂向應(yīng)力均向下分布，且在底板左幫向右?guī)头较虼瓜驊?yīng)力呈逐漸增加趨勢，切頂0m、3m、5m、8m時(shí)底板右側(cè)巷幫底角位置應(yīng)力值分別為7.6MPa、7.3MPa、7.2MPa、7.0MPa。

2.2.2側(cè)向應(yīng)力分布

不同切頂高度范圍內(nèi)留巷巷道側(cè)向應(yīng)力分布情況見圖3所示。

由圖3可知：采面內(nèi)側(cè)向壓力隨著距離采空區(qū)距離增加先呈快速增加后呈現(xiàn)迅速降低趨勢，在距離采空區(qū)15～18m位置時(shí)側(cè)向應(yīng)力逐漸趨于平衡。切頂高度0m時(shí)采面?zhèn)认驊?yīng)力峰值達(dá)到65.7MPa、應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3.3;切頂高度在5m之前，隨著切頂高度增加側(cè)向應(yīng)力峰值以及應(yīng)力集中系數(shù)均呈現(xiàn)迅速降低趨勢;當(dāng)切頂高度為5m時(shí)，側(cè)向應(yīng)力峰值、應(yīng)力集中系數(shù)分別為40.5MPa、2.0，較不切頂時(shí)降低約38.4%。

隨著切頂高度增加，切頂高度對側(cè)向應(yīng)力影響逐漸減少，當(dāng)切頂高度增加至8.0m時(shí)，側(cè)向應(yīng)力峰值、應(yīng)力集中系數(shù)分別為38.7MPa、1.92，較不切頂時(shí)降低41%，較切頂5m時(shí)降低4.5%。

2.3圍巖位移

不同切頂高度時(shí)留巷巷道圍巖變形模擬結(jié)果，具體圍巖變形監(jiān)測結(jié)果見表2。

不同切頂高度時(shí)巷道右側(cè)頂板下沉量較左側(cè)小，且在采空區(qū)邊緣位置頂板下沉量最大，具體切頂0m、3m、5m、8m時(shí)頂板下沉量最大值分別為152mm、141mm、123mm、119mm;巷道底板均出現(xiàn)一定量底鼓顯現(xiàn)，其中底板中部靠近右側(cè)巷幫位置底鼓量達(dá)到最大，切頂0m、3m、5m、8m時(shí)底板底鼓量分別為237mm、205mm、132mm、125mm。

2.4切頂高度綜合確定

從模擬結(jié)果得知，切頂高度達(dá)到5.0m之前圍巖應(yīng)力峰值、圍巖變形情況變化幅度較大，而切頂高度達(dá)到5.0m之后圍巖應(yīng)力峰值、圍巖變形情況變化幅度均顯著降低。根據(jù)圖1可知，8號煤層頂板為厚度5m的堅(jiān)硬石灰?guī)r，依據(jù)模擬結(jié)果得知，切頂高度達(dá)到5m時(shí)即可切斷該石灰?guī)r從而降低頂板巖層移動(dòng)給留巷工作帶來影響，為留巷工作開展創(chuàng)造良好的應(yīng)力環(huán)境。

3圍巖控制技術(shù)及效果分析

3.1留巷支護(hù)方案

8506運(yùn)輸巷采用切頂卸壓留巷技術(shù)保留下來作為后續(xù)8508綜采工作面回風(fēng)巷使用，8506運(yùn)輸巷采用以錨網(wǎng)索為核心的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，為了降低8506采面回采對留巷工作影響，留巷工作圍巖控制分三個(gè)階段進(jìn)行，分別為巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)（切頂卸壓）、滯后段臨時(shí)支護(hù)以及擋矸支護(hù)。

3.1.1巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)（切頂卸壓）

在8506運(yùn)輸巷原有錨桿、金屬網(wǎng)支護(hù)體系基礎(chǔ)上，采用高強(qiáng)錨索、金屬網(wǎng)、梯子梁補(bǔ)強(qiáng)加固。錨索垂直頂板布置、間排距均為1000mm，錨固力在200kN以上;金屬網(wǎng)規(guī)格為2.6m長、1.2m寬，搭接距離在100mm以上、與回采幫間距控制在200mm以上;采用梯子梁將補(bǔ)強(qiáng)錨索連接到一起。

在巷道內(nèi)施工的切頂鉆孔切頂高度為5.0m，為了避免在切頂過程中受到爆破影響巷道頂板表層出現(xiàn)離層情況，采距離切頂鉆孔300mm位置開始布置1排單體支柱對頂板進(jìn)行支護(hù)，單體支柱均需“穿鞋帶帽”，避免下陷到底板中且初撐力均應(yīng)在100kN以上。

3.1.2滯后段臨時(shí)支護(hù)

在滯后段采用3排單體支柱并結(jié)合π型梁構(gòu)成邁步式抬棚對巷道頂板進(jìn)行支撐，采用的π型梁長度為4.0m，具體單體支護(hù)布置情況見圖4所示。

3.1.3擋矸支護(hù)

采空區(qū)側(cè)擋矸支護(hù)結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)分別為金屬網(wǎng)（雙層）、擋風(fēng)布、U型鋼（可伸縮）以及槽鋼。采用的U型上下搭接距離在500mm以上，下部U型鋼底部要“穿鞋”并在底板上預(yù)先挖深度在200mm以上窩柱，用以顯著U型鋼位移;上部支撐頂板U型鋼在外、底部U型鋼在內(nèi)，鄰近兩U型鋼間距為500mm。

3.2圍巖控制效果

對留巷后圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測，在整個(gè)留巷巷道內(nèi)頂板、巷幫變形量最大分別為132mm、25mm，圍巖變形量較小，具體結(jié)果見圖5。

從監(jiān)測結(jié)果看出：

在開始留巷階段由于受到8506采面采動(dòng)動(dòng)壓影響，巷道圍巖變形量增加明顯，對應(yīng)圖中A階段，此階段為采面后方0～50m范圍;隨著采面推進(jìn)采動(dòng)動(dòng)壓留巷段影響逐漸降低，同時(shí)采空區(qū)內(nèi)頂板下沉逐漸穩(wěn)定，圍巖變形量增加率逐漸降低，具體對應(yīng)圖中B階段，此階段為采面后方50～100m范圍;隨著與采面距離進(jìn)一步增加，采面采動(dòng)對留巷圍巖影響更小，圍巖變形趨于穩(wěn)定，對應(yīng)圖中C階段，此階段為采面后方100～120m范圍，在此范圍內(nèi)對需要回撤巷道內(nèi)單體支柱進(jìn)行回收;受到單體支柱回撤影響，頂板支護(hù)強(qiáng)度有所降低，圍巖應(yīng)力重新分布造成圍巖變形，但在巷道支護(hù)體系影響下圍巖變形增加幅度很小，具體對應(yīng)圖中D階段，此階段為采面后方120～160m范圍;單體支柱回撤后巷道圍巖應(yīng)力分布穩(wěn)定，圍巖基本不再發(fā)生變化，形成留巷穩(wěn)定區(qū)，具體對應(yīng)圖中E階段，此階段為采面后方160m以外。

4總結(jié)

8506運(yùn)輸巷沿空留巷圍巖控制面臨的主要問題是頂板巖層堅(jiān)硬，采空區(qū)覆巖頂板破斷時(shí)會(huì)給留巷工作帶來較大的側(cè)向應(yīng)力，從而給巷道圍巖控制帶來不利影響。采用切頂卸壓可顯著降低采空區(qū)覆巖破斷、垮落給留巷造成影響，通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)切頂卸壓高度為5m時(shí)即為8號煤層頂板堅(jiān)硬石灰?guī)r厚度，留巷段圍巖應(yīng)力集中程度顯著降低且圍巖變形量較小，可為留巷工作開展創(chuàng)造良好條件;

在8506運(yùn)輸巷留巷過程中將巷道圍巖控制8506采面采動(dòng)影響、圍巖內(nèi)應(yīng)力分布特征分為巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)（切頂卸壓）、滯后段臨時(shí)支護(hù)以及擋矸支護(hù)，并針對性提出錨索補(bǔ)強(qiáng)、切頂卸壓、單體補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)以及擋矸支護(hù)方案。

現(xiàn)場應(yīng)用后，8506運(yùn)輸巷留巷段頂幫、巷幫最大變形量分別為132mm、25mm，巷道斷面收縮率在10%以內(nèi)，留巷斷面可滿足后續(xù)8508綜采工作面回采需要。這表明文中所提留巷圍巖控制方案具有顯著的應(yīng)用成果。

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