賈士耀

(神東煤炭集團(tuán)生產(chǎn)管理部，陜西省榆林市，719315)

我國(guó)煤炭資源中厚煤層可采儲(chǔ)量約占全國(guó)煤炭總量的43%，厚煤層實(shí)現(xiàn)安全、高效開(kāi)采對(duì)我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展具有重要意義[1]。厚煤層開(kāi)采主要采取綜放開(kāi)采技術(shù)和大采高一次采全高綜采技術(shù)，其中，綜放開(kāi)采技術(shù)存在資源回收率低，頂板管理難度大的特點(diǎn)[2]。近年來(lái)，隨著我國(guó)井工煤礦開(kāi)采技術(shù)迅速發(fā)展，大型采掘設(shè)備不斷投入使用，5.5 m、6.3 m、7 m、8 m大采高綜采工作面在神東礦區(qū)得到應(yīng)用和推廣[3]。為進(jìn)一步解決特厚煤層安全高效開(kāi)采問(wèn)題，神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦于2018年3月在12401綜采工作面開(kāi)展了8.8 m超大采高開(kāi)采試驗(yàn)，同時(shí)，為滿(mǎn)足采掘、運(yùn)輸和通風(fēng)需求，12401工作面輔運(yùn)巷的斷面尺寸設(shè)計(jì)寬度為5.4 m，高度為4.7 m，較常規(guī)巷道斷面明顯增大。因此，在保證安全、經(jīng)濟(jì)合理的前提下，確定合理的大斷面巷道支護(hù)強(qiáng)度，對(duì)8.8 m超大采高開(kāi)采技術(shù)推廣應(yīng)用具有重要意義。筆者基于12401綜采工作面8.8 m超大采高開(kāi)采實(shí)踐，采用工程類(lèi)比、理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等綜合研究手段[4-6]，對(duì)8.8 m超大采高綜采面回采巷道合理支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行了研究，確保巷道支護(hù)效果和工作面安全高效回采。

1 工程概況

1.1 工作面地質(zhì)條件

神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦12401綜采工作面埋深124～244 m，基巖厚度120～220 m，松散層厚度0～27 m；工作面范圍內(nèi)無(wú)較大斷層和褶皺發(fā)育，煤層厚度穩(wěn)定，煤層近水平。工作面?zhèn)雾敒槟鄮r；直接頂為灰白色細(xì)粒砂巖；老頂為灰白色粉砂巖；直接底為黑灰色泥巖。工作面頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1。

1.2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

煤巖的力學(xué)參數(shù)是巷道穩(wěn)定性和錨桿支護(hù)合理參數(shù)確定的重要因素，為了給理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析提供準(zhǔn)確可靠的巖石物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)上灣煤礦1-2#煤層及其頂?shù)装暹M(jìn)行了巖石力學(xué)試驗(yàn)，測(cè)試獲得的巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 工作面頂?shù)装鍘r性特征表

表2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

2 12401工作面輔運(yùn)巷支護(hù)設(shè)計(jì)

12401工作面輔運(yùn)巷斷面尺寸設(shè)計(jì)為5.4 m(寬)×4.7 m(高)，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，留頂煤，且將用作下一工作面的回風(fēng)巷，具有斷面大、圍巖條件復(fù)雜、服務(wù)年限相對(duì)較長(zhǎng)的特點(diǎn)，選用工程類(lèi)比、理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式合理分析確定支護(hù)參數(shù)[7-9]。

2.1 工程類(lèi)比

根據(jù)上灣煤礦1-2#煤層情況、圍巖性質(zhì)、穩(wěn)定性、基巖性質(zhì)、厚度等情況及其支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，并巷道參照在神東礦區(qū)應(yīng)用良好的7.0 m及8.0 m大采高回采巷道的支護(hù)方式及參數(shù)，設(shè)計(jì)8.8 m采高綜采工作面主運(yùn)巷的支護(hù)方式及參數(shù)，主要支護(hù)參數(shù)選取范圍見(jiàn)表3。

2.2 理論計(jì)算

根據(jù)8.8 m大采高工作面的地質(zhì)條件等情況，回采巷道的支護(hù)方式及參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

(1)錨桿長(zhǎng)度的計(jì)算：

L≥L1+L2+L3

(1)

式中：L——錨桿總長(zhǎng)，m；

L1——錨桿外露長(zhǎng)度，取決于錨桿類(lèi)型與錨固方式，一般取0.1 m；

L2——有效長(zhǎng)度(頂錨桿取圍巖松動(dòng)圈冒落高度b，幫錨桿取幫破碎深度c)，m；

L3——錨桿錨固長(zhǎng)度，端部錨固一般取0.3～0.4 m。

圍巖松動(dòng)圈冒落高度如下：

(2)

式中：B——巷道寬度，m；

H——巷道高度，m；

f頂——頂板巖石普氏系數(shù)；

ω幫——兩幫圍巖的內(nèi)摩擦角，ω幫=arctan(f頂)，(°)。

表3 采用工程類(lèi)比確定輔運(yùn)巷支護(hù)方式及參數(shù)

(2)每根錨桿懸吊巖體重量為：G=γL2a1b1，為保證頂板的穩(wěn)定性，錨桿錨固力Q應(yīng)能承擔(dān)G的重量，通常情況下間排距相差不大，頂錨桿間排距的乘積應(yīng)滿(mǎn)足下式：

(3)

式中：Q——頂錨桿錨固力，kN；

a1——頂錨桿間距，m；

b1——頂錨桿排距，m；

γ——懸吊巖石容重，kN/m3；

K——安全系數(shù)，此處取2。

(3)錨桿直徑的選擇如下：

(4)

式中：h——錨桿承載巖體高度，此處取錨桿長(zhǎng)度，m；

Δ——錨桿材料抗拉強(qiáng)度，此處取38 kN/m2。

(4)錨索長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足：

Lm=La+Lb+Lc+Ld

(5)

式中：Lm——錨索總長(zhǎng)度，m；

La——錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長(zhǎng)度，m；

Lb——懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，m；

Lc——托板及錨具的厚度，m；

Ld——外露張拉長(zhǎng)度，m。

此外，La還需滿(mǎn)足：

(6)

式中：d1——為錨索直徑，此處取17.8 mm；

fa——錨索抗拉強(qiáng)度，此處取1427.31 N/mm2；

fc——錨索與錨固劑的粘合強(qiáng)度，此處取10 N/mm2。

(5)錨索排距的計(jì)算如下：

(7)

式中：D——錨索排距，m；

B——巷道最大冒落寬度，m；

H——巷道最大冒落高度(取錨桿最大長(zhǎng)度)，m；

F1——錨桿錨固力，kN；

F2——錨索極限承載力，kN；

θ——角錨桿與巷道頂板的夾角，此處取90°；

n——錨索排數(shù)，此處取1。

根據(jù)以上計(jì)算方法，計(jì)算得到12401輔運(yùn)巷支護(hù)強(qiáng)度見(jiàn)表4。

回采巷道頂板支護(hù)采用? 18 mm×2100 mm錨桿和? 17.8 mm×6500 mm錨索，兩幫支護(hù)采用? 18 mm×1800 mm錨桿(正幫選用玻璃鋼錨桿，規(guī)格為? 27 mm×2400 mm)，根據(jù)巷道塑性區(qū)范圍可知，設(shè)計(jì)的錨桿長(zhǎng)度可滿(mǎn)足巷道支護(hù)要求，支護(hù)設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

表4 錨桿(索)計(jì)算結(jié)果

圖1 輔運(yùn)巷支護(hù)設(shè)計(jì)方案圖

3 支護(hù)方案驗(yàn)證

3.1 巷道圍巖應(yīng)力—變形規(guī)律

采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件對(duì)輔運(yùn)巷支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，地層模型巖性及巖層厚度根據(jù)12401工作面回撤通道附近的R113鉆孔柱狀圖設(shè)置。參考12401工作面煤巖力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置模型中各巖層的力學(xué)參數(shù)，在模型中設(shè)置應(yīng)力、位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于記錄運(yùn)算過(guò)程中巷道圍巖應(yīng)力、位移變化趨勢(shì)[10-13]。在模擬過(guò)程中將巷道掘出后進(jìn)行錨桿、錨索支護(hù)，待全部支護(hù)完畢后再次進(jìn)行平衡計(jì)算，錨桿、錨索布置命令采用內(nèi)置Fish語(yǔ)言編寫(xiě)，根據(jù)工作面巷道設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)設(shè)置模型中錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)

模型建立后，巷道開(kāi)挖及支護(hù)效果如圖2所示。

圖2 錨桿(索)支護(hù)效果圖

巷道開(kāi)掘并支護(hù)后的垂直應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 垂直應(yīng)力云圖

由圖3可知，圍巖高應(yīng)力區(qū)域位于巷道兩幫煤體內(nèi)部距巷幫1.3～2.2 m范圍內(nèi)，應(yīng)力峰值為7.46 MPa，煤體處于受壓狀態(tài)。錨桿錨固端位于高垂直應(yīng)力范圍內(nèi)，由于應(yīng)力峰值小于煤體抗壓強(qiáng)度，因此該區(qū)域煤體不會(huì)受壓破壞，錨桿仍將發(fā)揮有效的錨固作用。

在巷道左幫設(shè)置垂直應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距巷幫分別為0 m、1 m、2 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直應(yīng)力曲線(xiàn)如圖4所示。

由圖4可知，隨著計(jì)算時(shí)步的增加，巷道左幫1 m和2 m處垂直應(yīng)力先是顯著增加，隨后趨于穩(wěn)定，距巷幫2 m處，垂直應(yīng)力最大達(dá)7.6 MPa，距巷幫0 m處垂直應(yīng)力始終保持穩(wěn)定。說(shuō)明錨桿支護(hù)對(duì)巷幫煤體有一定的約束作用，煤體內(nèi)部應(yīng)力釋放較少，巷幫淺部受到的約束作用更為明顯。

采用設(shè)計(jì)支護(hù)方案后巷道圍巖變形量較小，巷道圍巖位移云圖見(jiàn)圖5。由圖5(a)可知，巷道頂板下沉等值線(xiàn)呈拱形分布，最大下沉量出現(xiàn)在頂板中部，為7.9 mm。錨桿錨固端附近巖體最大下沉量?jī)H為4 mm，錨固端附近巖體與頂板下沉量差異顯著，說(shuō)明頂板錨桿對(duì)頂板淺部巖體起到了懸吊加固作用。由圖5(b)可知，巷道兩幫圍巖變形量明顯小于頂板下沉量，最大位移變形量在巷幫中線(xiàn)位置，兩幫最大移近量達(dá)6.9 mm，仍可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 垂直應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

圖5 巷道圍巖位移云圖

圖6 塑性區(qū)分布圖

巷道圍巖塑性分布圖見(jiàn)圖6。由圖6可以看出，巷道兩幫1 m范圍內(nèi)煤體已經(jīng)發(fā)生塑性破壞，但破壞深度明顯小于幫錨桿長(zhǎng)度，巷道兩幫不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。

3.2 輔運(yùn)巷支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

采用KJ21型巷道礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頂板變形量、離層量、超前支承壓力和錨桿工作阻力，為巷道圍巖穩(wěn)定性預(yù)警和煤壁片幫預(yù)警提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，巷道礦壓監(jiān)測(cè)所需設(shè)備清單見(jiàn)表6。

在12401工作面回風(fēng)巷正幫側(cè)安裝若干組鉆孔應(yīng)力計(jì)用以監(jiān)測(cè)工作面前方煤體超前應(yīng)力的分布情況，鉆孔應(yīng)力計(jì)的安裝深度均為9.0 m，水平間距為5.0 m。1#～8#鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7，1#和2#鉆孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)如圖7所示。

表6 巷道礦壓系統(tǒng)設(shè)備清單

由表7和圖7可以看出，工作面超前支承壓力影響范圍為22.0～82.0 m，平均為42.4 m，其中顯著影響范圍為9.0～36.0 m，平均為17.3 m；應(yīng)力集中系數(shù)為1.2～1.7，平均為1.36；應(yīng)力峰值超前煤壁的距離為2～6 m，平均為4 m。因此，工作面巷道圍巖穩(wěn)定性超前預(yù)警的范圍平均為工作面前方17.3 m左右，需要采取有效的超前支護(hù)，其中煤壁前方2～6 m為圍巖穩(wěn)定性最危險(xiǎn)區(qū)域。

圖7 鉆孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

表7 12401工作面回風(fēng)巷鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由以上監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，12401工作面回采巷道超前段礦壓顯現(xiàn)較為緩和，根據(jù)巷道圍巖變形量觀(guān)測(cè)，巷道頂板深部和淺部位移量均在10 mm以下，且從現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷超前段兩幫和頂?shù)装鍘缀鯚o(wú)變形，巷道完整性好，符合典型的淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)特征。具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

(1)超前應(yīng)力集中系數(shù)低，遠(yuǎn)小于普通埋深2～3倍的應(yīng)力集中系數(shù)。

(2)影響范圍小，同等采高條件下普通埋深工作面超前應(yīng)力影響范圍一般在100～150 m。

(3)應(yīng)力峰值距離煤壁近，普通埋深工作面應(yīng)力峰值超前煤壁距離約為采高的2倍，而淺埋深8.8 m大采高工作面應(yīng)力峰值距煤壁距離平均僅為采高的0.5倍左右。這主要是因?yàn)闇\埋深大采高綜采工作面基載比較大，頂板易整體切落，難以形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，破斷后的上覆巖層作用力難以通過(guò)鉸接巖塊的水平傳遞作用傳遞至煤體深部，導(dǎo)致上覆巖層運(yùn)動(dòng)形成的應(yīng)力集聚點(diǎn)距煤壁較近。另外，淺埋深工作面煤體硬度大，難以受壓破壞，煤體采動(dòng)后塑性區(qū)范圍小，也是造成應(yīng)力峰值距離煤壁較近的原因。

12401輔運(yùn)巷不同測(cè)點(diǎn)頂板位移及離層量統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表8，輔運(yùn)巷頂板無(wú)明顯變形，淺部位移量為0～6 mm，平均為1.2 mm，深部位移量為0～5 mm，平均為1 mm，離層量為0～1 mm，平均為0.2 mm?？梢?jiàn)輔運(yùn)巷頂板穩(wěn)定性極好，頂板幾乎無(wú)離層。

表8 12401輔運(yùn)巷頂板位移及離層量分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明：工作面超前支承壓力影響范圍平均42.4 m，其中顯著影響范圍平均17.3 m；應(yīng)力集中系數(shù)為1.2～1.7，平均為1.36；應(yīng)力峰值超前煤壁的距離為2～6 m，平均4 m。淺埋深大采高工作面超前應(yīng)力分布具有應(yīng)力集中系數(shù)低、影響范圍小、應(yīng)力峰值距煤壁近的特點(diǎn)。煤柱側(cè)向支承壓力應(yīng)力集中系數(shù)一般為1.26～1.76，平均為1.51；應(yīng)力升高位置超前工作面的距離一般為16.5～48.0 m，平均為38.1 m；煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力集中系數(shù)近似呈馬鞍形曲線(xiàn)，25 m煤柱滿(mǎn)足護(hù)巷需要，并有一定富余量。根據(jù)圍巖移動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)，輔運(yùn)巷圍巖變形和離層量均在10 mm以下，圍巖穩(wěn)定性好，頂板幾乎無(wú)離層。

通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證，12401輔運(yùn)巷支護(hù)設(shè)計(jì)完全符合巷道使用要求。

4 結(jié)論

(1)基于12401工作面巷道圍巖性質(zhì)，采用工程類(lèi)比、理論計(jì)算相結(jié)合的方法確定8.8 m超大采高綜采工作面輔運(yùn)巷采用“錨網(wǎng)索帶”聯(lián)合支護(hù)的方式，并明確了詳細(xì)的巷道支護(hù)參數(shù)。

(2)利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)支護(hù)方案進(jìn)行驗(yàn)證，模擬和監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，頂板最大下沉量7.9 mm，巷道圍巖變形量平均值小于10 mm，符合回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)要求；錨桿(索)錨固范圍均超過(guò)圍巖塑性區(qū)，有效地維護(hù)了巷道圍巖穩(wěn)定性。工作面回采時(shí)，巷道圍巖變形量和錨桿工作阻力顯著增加，未破壞巷道穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)方案完全滿(mǎn)足巷道使用要求。

(3)8.8 m超大采高綜采工作面回采巷道支護(hù)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，豐富了超大采高綜采工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，為日后該技術(shù)推廣應(yīng)用提供了借鑒。