張會林
(山西霍寶干河煤礦有限公司,山西 臨汾 041602)
山西霍寶干河煤礦三采區(qū)輔助運輸巷作為三采區(qū)準備巷道位于+80m 水平西翼,與+80m 水平西翼三條大巷垂直布置,北東為西翼三條開拓大巷,西南側為變電所。三采區(qū)輔助運輸巷布置在1#煤中,煤層結構相對簡單,1#煤層厚度0.4~1.15m,平均厚度0.78m,煤層傾角2°~8°,平均傾角5°?;卷敒榧毶皫r,平均厚度3.12m;直接頂為中砂巖,平均厚度4.96m;直接底為泥巖,平均厚度4.6m,深灰色;基本底為K7 中粒砂巖,厚度3.0~4.27m,平均厚度3.63m。三采區(qū)的三條大巷掘進初期,巷道表面位移較大,需進行支護方案優(yōu)化。三采區(qū)準備巷道布置示意圖如圖1 所示。
圖 1 三采區(qū)準備巷道布置示意圖
三采區(qū)輔助運輸巷沿1#煤層底板掘進,采用半圓拱形斷面,掘進斷面尺寸為4.8(寬)m×3.6(高)m,原有支護方式為錨網噴支護。頂板和兩幫錨桿為Φ18×2000mm 左旋高強度螺紋鋼,錨桿配套托盤采用長寬120mm、厚度10mm 的碟形鋼制托盤,采用樹脂錨固劑加長錨固,每根錨桿采用K2455、Z2455 型號樹脂藥卷各一支,錨桿間排距為900×900mm,靠近最下部的錨桿距離底板300mm,巷道表面護表金屬網由直徑10mm 的圓鋼焊接,錨網支護完成后,在巷道表面噴射100mm的C20 混凝土。
三采區(qū)輔助運輸巷采用上述支護方案掘進初期,采用十字交叉法對巷道表面的位移情況進行監(jiān)測[1],測點布置在距開口20m 處。為期20d 的監(jiān)測整理得到圖2 所示的結果。由圖2 可以看出,三采區(qū)輔助運輸巷在掘出后,巷道表面的位移隨著成巷時間的延長不斷的增大。成巷后10d 內,巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷南鄬σ平俣染_到了11mm/d;成巷10d 以后圍巖的變形速度有所降低,但是仍維持在7mm/d 左右;成巷20d 后頂?shù)装逑鄬σ平窟_到143mm,兩幫移近量達到118mm。巷道圍巖變形速度較快,且持續(xù)變形,表明支護能力不足,巷道的安全狀況欠佳,且三采區(qū)輔助運輸巷服務期間較長,因此必須采取適當?shù)闹卫泶胧?/p>
圖 2 礦壓監(jiān)測結果
為更加合理地確定三采區(qū)輔助運輸巷的支護參數(shù),根據(jù)現(xiàn)場詳細的地質狀況,采用UDEC 軟件建立數(shù)值模擬模型[2-3]。整個模型將沿巷道寬度方向取一個截面,模型尺寸寬×高=100×60m,模型下部邊界垂直方向位移設定為0,左右邊界水平位移固定為0,上部邊界施加12.5MPa 的邊界載荷,巷道圍巖本構關系采用摩爾-庫侖模型。模型示意圖如圖3 所示。
圖3 數(shù)值模型示意圖
采用上述模型對三采區(qū)輔助運輸巷的支護參數(shù)進行優(yōu)化。為提高巷道圍巖的支護強度,主要對錨桿、錨索、底板的支護參數(shù)進行優(yōu)化。錨桿錨索采用cable 單元進行模擬[4],巷道表面噴射混凝土,鋼筋梯子梁用structure 單元模擬,分別建立不同支護方式條件的數(shù)值模型。巷道開挖計算平衡后對巷道圍巖的塑性區(qū)發(fā)育及圍巖位移量進行對比分析,從而得到最為合理的支護參數(shù)。由于篇幅所限,以錨桿直徑為例進行模擬結果分析。目前巷道支護常用的錨桿支架為18 ~24mm,模擬過程中,錨桿長度為2000mm,間排距為800×800mm,錨桿直徑分別為18mm、20mm、22mm、24mm,不同錨桿直徑條件下圍巖的塑性區(qū)分布情況如圖4 所示。其中“*”為正在塑性破壞的單元,“×”代表已發(fā)生塑性破壞的單元,空白的代表完整的煤巖體。統(tǒng)計巷道各個方向圍巖的破壞深度和各處的位移,得到表1 所示的結果。
由圖4 所示的模擬結果及表1 所示的統(tǒng)計結果可知,頂板錨桿直徑變化時,頂板巖層塑性破壞深度不變,幫部和底板圍巖塑性破壞深度發(fā)生變化,說明錨桿對頂板支護效果良好。錨桿直徑由18mm增至20mm,幫部和底板塑性破壞深度的減小最為明顯。錨桿直徑發(fā)生變化時,巷道圍巖的位移量均出現(xiàn)不同程度的變化。錨桿直徑由18mm 增至20mm,巷道表面位移量減小最為明顯。錨桿直徑增大至20mm 以上,各項指標的減小趨勢均變緩。且總體而言,巷道頂板和兩幫的位移維持在較低的水平,底板底鼓量較為突出,因此設計頂板錨桿直徑為20mm。錨桿支護具有較好的技術經濟性,需要對底板采取適當?shù)募庸檀胧?/p>
圖 4 巷道圍巖塑性區(qū)分布示意圖
表1 數(shù)值模擬統(tǒng)計結果
結合數(shù)值模擬研究的結果,最終設計三采區(qū)輔助運輸巷采用錨網索噴+反底拱聯(lián)合支護,參數(shù)如下:頂板和兩幫錨桿為Φ20×2000mm 左旋高強度螺紋鋼,采用樹脂錨固劑錨固,每根錨桿采用K2455、Z2455 型號樹脂藥卷各一支,錨桿間排距為800×800mm,靠近最下部的錨桿距離底板400mm。頂板錨索采用直徑15.24mm、長度7000mm 的鋼絞線,每根錨索采用一支K2455、兩支Z2455 型樹脂藥卷,間排距為1600×1600mm,每排兩根,沿巷道中線對稱布置,安裝時預緊力不小于100kN,托盤采用300×300×10mm 碟形鋼托盤。巷道表面護表金屬網由直徑10mm 的圓鋼焊接,錨網支護完成后,在巷道表面噴射100mm 的C20混凝土。底板采用混凝土反底拱支護,先進行臥底,巷道中部臥底深度不小于800mm,兩幫臥底深度不小于500mm,然后預埋底板曲梁和鋪金屬網,之后澆筑混凝土并鋪碎石子。三采區(qū)輔助運輸巷最終支護斷面如圖5 所示。
圖 5 多層次錨桿支護體系示意圖
三采區(qū)輔助運輸巷圍巖條件良好,為防止巷道支護和掘進施工相互干擾,并給予圍巖適度的變形空間,設計巷道支護滯后掘進工作面一段時間和距離。巷道掘進速率約為5m/d,故設計巷道施工順序為:巷道掘出兩天后開始安裝頂板和幫部的錨桿,錨桿支護2~3d 后開始安裝錨索和噴漿,巷道成型10~20d 后根據(jù)圍巖的變形情況對局部進行臥底和施工反底拱結構。
掘進施工過程中,采用十字布點法進行巷道表面位移監(jiān)測,測點距離掘進頭后方5m 處,整理得到圖6 所示的結果。由圖可知,巷道成巷后,隨著成巷時間的增大,巷道表面的位移量逐漸增大,但是圍巖的變形速度逐漸減小。成巷約20d 后,巷道表面的位移量基本不再增大,巷道圍巖趨于穩(wěn)定。為期一個月的監(jiān)測期間,頂?shù)装謇塾嬕平繛?8mm,兩幫累計移近量為61mm,巷道變形量很小,說明圍巖變形得到了有效的控制。
圖 6 巷道圍巖變形量監(jiān)測結果