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        深井構(gòu)造異常區(qū)小煤柱巷道支護優(yōu)化研究

        2020-06-10 09:07:06賈海賓
        山東煤炭科技 2020年5期
        關(guān)鍵詞:煤柱錨索錨桿

        張 斌 王 沖 賈海賓

        (山東新巨龍能源有限責(zé)任公司,山東 菏澤 274918)

        在我國東部礦區(qū),煤礦開采深度逐漸增加,生產(chǎn)條件日益復(fù)雜[1]。為滿足回采工作面生產(chǎn)需要,回采巷道需穿過斷層、褶皺、節(jié)理等構(gòu)造異常區(qū),加之巷道小煤柱掘進,應(yīng)力分布復(fù)雜,圍巖自穩(wěn)能力差,造成巷道易變形、支護困難、后期開幫臥底工作量大等問題[2-3],大大增加了礦井開采難度,影響礦井正常生產(chǎn),降低了礦井的效率和效益,同時礦井安全生產(chǎn)受到威脅[4]。因此開展深井異常區(qū)小煤柱巷道支護優(yōu)化的研究,具有較大的理論及工程價值。

        1 概況

        山東能源新礦集團新巨龍公司開采水平現(xiàn)已延深至-980m,地面標(biāo)高為+43.6m,最大開采深度已超千米,具有埋深大、表土層厚、斷層構(gòu)造發(fā)育等特點?;夭上锏朗軘鄬訕?gòu)造應(yīng)力影響較大,巷道斷面大,回采動壓顯現(xiàn)強烈。

        2305S 工作面位于二采區(qū),東接2306S 工作面,南臨畢垓南斷層,西為2304S 面采空區(qū),北臨二采準(zhǔn)備、開拓巷道。新巨龍礦主采3#煤層,厚9m 左右,平均埋深-985m,傾角在0~11°之間,3#煤f(堅固性系數(shù))=1~2。直接底為均厚10.25m 的砂質(zhì)泥巖,f=3~5;直接頂為均厚14.25m 的粉砂巖,f=5~6。礦井采用小煤柱護巷施工工藝,2305S 工作面沿空側(cè)煤柱設(shè)計寬度為4.5m。由于巷道受側(cè)向壓力、掘進擾動、斷層構(gòu)造產(chǎn)生的應(yīng)力,頂板及小煤柱側(cè)圍巖破碎,巷道支護難度加大。

        2 原支護方案及效果分析

        2.1 原支護方案

        (1)頂板支護

        錨桿為無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿,型號為MSGLW600, 在 頂 板 打 設(shè)6 根, 配 合 眼 距900mm 的6 眼W 鋼帶。錨桿規(guī)格:Φ25mm,長2500mm,間排距900×1000mm。桿錨錨固力應(yīng)大于150kN。

        錨索采用6300~10300mm 的高預(yù)應(yīng)力鋼絞線,Φ21.8mm,錨固方式為加長錨,頂板每排4 根,間排距1200×2000mm。錨索預(yù)緊力不小于200kN。

        (2)幫部支護

        幫部錨桿規(guī)格、材質(zhì)與頂板一致,Φ25mm,長度2500m,幫部設(shè)置5 根,上部配3 眼T 型鋼帶,下部配2 眼T 型鋼帶,錨桿間排距為900×1000mm。

        錨索材質(zhì)為高預(yù)應(yīng)力鋼絞線,Φ21.8mm,幫部每排設(shè)3 根,間距1300/1600mm,排距2000mm。實體幫上部及中間眼位錨索長度8300mm,下部眼位錨索長度4300mm;小煤柱幫上部眼位錨索長度8300mm,中間及下部眼位錨索長度4300mm。

        原方案支護如圖1 所示。

        圖1 原方案頂板及兩幫支護剖面圖

        2.2 原方案支護效果分析

        原支護方案采用工程類比法進行設(shè)計,參照2303S 工作面及2304S 工作面小煤柱支護方案。由于二采區(qū)開采深度逐漸增加,在開采2304S 工作面時,2304S 上平巷礦壓顯現(xiàn)強烈,最大變形超1m,在開采期間,對上巷頂板及兩幫重新補打錨索梁加強支護方才滿足回采需要。2305S 上平巷采用原方案施工,30d 后小煤柱側(cè)頂板變形達201mm,且仍有變大趨勢。頂板及實體幫側(cè)多根錨桿、錨索斷裂,且有輕微震頂現(xiàn)象。因此需對2305S 上平巷進行優(yōu)化支護,確保掘進及回采期間巷道圍巖穩(wěn)定。

        3 支護方案優(yōu)化及效果分析

        3.1 優(yōu)化支護方案

        針對2305S 回采工作面工程地質(zhì)條件及變形破壞特征,提出一種聯(lián)合支護方案,即“頂板全錨索支護+U 型錨索梁加強支護+注漿加固”的支護優(yōu)化方案。支護如圖2 所示。

        (1)頂板支護

        在原方案的支護基礎(chǔ)上,將頂板錨桿更改為長度3800mm 的中空注漿錨索,錨索型號SKZ22-1/1770,間排距為900×1000mm;將頂板錨索更改為4200mm U 型錨索梁,間距為2000mm(U29 型錨索梁,一梁三索,眼距1800mm),U 型錨索梁所用注漿錨索長度為6300 ~10300mm。

        (2)幫部支護

        在原方案的支護基礎(chǔ)上,將幫部中間眼位錨桿更改為長度3800mm 的中空注漿錨索,錨索型號SKZ22-1/1770,幫部鋼帶更改為2 片3 眼T 型鋼帶,形成幫部封閉支護;將幫部錨索更改為長度2600mm U 型錨索梁(U29 型錨索梁,一梁二索,眼距2000mm),實體幫U 型錨索梁所用注漿錨索長度為8300mm,小煤柱側(cè)U 型錨索梁所用注漿錨索長度為上部8300mm、下部3800mm。

        圖2 優(yōu)化方案頂板及兩幫支護剖面圖

        3.2 數(shù)值模擬分析

        (1)建立計算模型

        為對比分析支護優(yōu)化前后巷道圍巖變形及受力特征,運用FLAC3D進行模擬研究,建立長×寬×高=120m×100m×80m 的模型。模型的約束為:底部采用固定約束,兩側(cè)面采用水平約束。彈塑性極限為Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則[5]。根據(jù)新巨龍礦井實測地應(yīng)力情況,模型垂直應(yīng)力取值為20MPa。建立模型如圖3 所示,巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

        圖3 計算模型

        表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)表

        (2)模擬結(jié)果分析

        圖4 不同方案最大主應(yīng)力和豎向位移分布云圖

        由圖4(a)最大主應(yīng)力分布圖對比分析,兩方案最大主應(yīng)力均分布在巷道實體幫,且優(yōu)化方案最大主應(yīng)力小于原方案最大主應(yīng)力,優(yōu)化方案最大主應(yīng)力左幫向圍巖深部發(fā)展。說明優(yōu)化方案可優(yōu)化巷道圍巖的應(yīng)力分布,圍巖應(yīng)力向穩(wěn)定性更好的深部傳遞,充分調(diào)動了深部圍巖的承載力保證巷道穩(wěn)定。由圖4(b)兩方案的豎向位移圖可知,巷道最大豎向位移位于巷道頂板,但不沿巷中對稱分布,而是靠近采空區(qū)一側(cè)稍大些,優(yōu)化方案最大豎向位移為78.3mm,原方案豎向位移為235mm??傻贸鲂路桨缚杉訌娤锏勒w圍巖強度,尤其對小煤柱側(cè)圍巖有較好的加固作用,有利于控制巷道圍巖變形。

        3.3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

        對小煤柱巷道2305S 上平巷進行變形監(jiān)測分析,2305S 上平巷頂?shù)装遄畲笪灰?8mm,兩幫最大位移126mm。當(dāng)監(jiān)測位置距離迎頭超過60m后,監(jiān)測位置巷道變形趨于穩(wěn)定。與原方案對比,巷道頂?shù)装逦灰茰p小了103mm,兩幫位移減小了124mm,支護效果較好,極大地減少了工作面開采前的開幫、臥底工作量。

        4 結(jié)論

        通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測得出“頂板全錨索支護+U 型錨索梁加強支護+注漿加固”的支護優(yōu)化方案可顯著降低巷道的變形量,尤其是巷道小煤柱側(cè)的變形量,極大降低回采期間巷道的安全隱患,對工作面生產(chǎn)、礦井接續(xù)安排等均產(chǎn)生較為有益的效果。

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