張京民

(河南能源化工集團(tuán)新疆投資控股有限公司，新疆 烏魯木齊 830026)

我國(guó)已探明的建井基礎(chǔ)儲(chǔ)量達(dá)到2796億t，其中厚煤層占比達(dá)到44%，同時(shí)，我國(guó)每年的煤炭產(chǎn)量超過45%來自于厚煤層。從20世紀(jì)80年代開始，機(jī)械化的厚煤層采煤方法引起越來越多的煤礦重視，厚及特厚煤層的開采技術(shù)體系逐漸建立[1，2]。截止目前，放頂煤開采已成為7m以上厚及特厚煤層開采的首選采煤方法。目前7～14m煤厚的綜放開采方法在配套技術(shù)與裝備方面已經(jīng)較為成熟；近年來，大采高與綜放開采技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，14～20m特厚煤層采用一次采全厚大采高綜放開采的礦井越來越多，特厚煤層大采高綜放開采具有生產(chǎn)集約化、效率高的優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，但同樣存在防滅火壓力大、覆巖運(yùn)動(dòng)范圍大等不足[3-5]。雖然綜放開采技術(shù)能夠提高工作面的采煤效率，但也要求巷道具有更高的穩(wěn)定性來適應(yīng)放頂煤開采[6]。特別是在煤層群中開采采空區(qū)下覆特厚易自燃煤層時(shí)，上部采空區(qū)壓力對(duì)下部綜放工作面回采巷道穩(wěn)定性的影響增大，進(jìn)而造成巷道深部圍巖劣化發(fā)育，給巷道支護(hù)帶來很大困難[7-12]。此類巷道的錨網(wǎng)索支護(hù)面臨更高、更嚴(yán)苛的要求，因此，深入開展采空區(qū)下覆特厚易自燃煤層回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)研究具有重要意義[13-15]。

1 工程概況

河南能源新疆公司永寧煤化2301首采面位于二采區(qū)(單翼采區(qū))，采區(qū)走向長(zhǎng)度600～1200m，傾向長(zhǎng)度300～500m，面積約0.5km2，開采23#—25#煤層，煤層厚度平均17.03m，采高2.8m，23#—25#煤層標(biāo)高+550～+716m，上部42.7m為22#煤層采空區(qū)。煤的自燃傾向性：I類容易自燃煤層，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。2301首采面上、下巷為矩形斷面，巷道斷面尺寸為3600mm×2800mm，結(jié)合22#煤層巷道支護(hù)情況，以工程類比法對(duì)2301軌道巷支護(hù)方式進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，采用“錨網(wǎng)索+鋼筋梯”聯(lián)合支護(hù)，巷道斷面頂部錨桿均使用規(guī)格為?20mm×2000mm的高強(qiáng)錨桿，錨桿間排距為750mm×800mm，巷道幫部普通錨桿規(guī)格為?16mm×1600mm，間排距為800mm×800mm，沿巷道中心線布置一排錨索，間距6000mm，錨索規(guī)格為?15.20mm×7300mm。由于2301特厚易自燃煤層綜放工作面地質(zhì)條件的復(fù)雜性，以及綜放工作面回采巷道礦壓規(guī)律很難認(rèn)識(shí)全面，簡(jiǎn)單地通過增加支護(hù)密度和支護(hù)強(qiáng)度來加固巷道雖然可以在一定程度上提高圍巖的穩(wěn)定性，但如果不考慮最優(yōu)支護(hù)參數(shù)，往往會(huì)造成材料浪費(fèi)，影響煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，需要對(duì)2301首采面上、下回采巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 模擬方案

以永寧煤化2301綜放工作面回采巷道工程地質(zhì)條件為背景，使用FLAC3D建立三維數(shù)值模擬計(jì)算模型，分析不同支護(hù)方式以及不同開采階段下的巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)演化和位移變化情況。針對(duì)永寧煤化原有的支護(hù)方式與設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)優(yōu)化的支護(hù)方式，分別模擬了三個(gè)開采階段，即巷道掘進(jìn)初期、距工作面50m及距工作面10m。模型四周及底部固定為位移邊界，在模型上部施加應(yīng)力，采用摩爾-庫(kù)倫模型，模型使用的巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。為滿足計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間要求，在巷道圍巖20m范圍內(nèi)采用放射狀網(wǎng)格，此其余區(qū)域使用矩形網(wǎng)格，模型網(wǎng)格數(shù)量共354900個(gè)。

表1 模型中煤巖物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果與分析

2.2.1 巷道掘進(jìn)初期

巷道掘進(jìn)初期兩種支護(hù)參數(shù)下的圍巖應(yīng)力狀態(tài)分布如圖1所示，圍巖應(yīng)力狀態(tài)可以反映兩種支護(hù)設(shè)計(jì)的支護(hù)效果。由圖1可以看出，兩種支護(hù)方式下的最大主應(yīng)力集中于煤幫與底板的夾角附近，而巷道底板由于巷道的開挖，底板由三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力降低，兩種支護(hù)方式下最大主應(yīng)力的分布區(qū)域相似。兩種支護(hù)下的錨桿附近的應(yīng)力差別明顯，由圖1(a)可知，原支護(hù)方式錨桿附近圍巖應(yīng)力相對(duì)集中，同時(shí)錨桿軸力值較大，對(duì)圍巖施加作用力的范圍大，在排距6m、單排1根的情況下，錨索對(duì)圍巖的作用強(qiáng)度較小，錨索應(yīng)力峰值為2.177MPa，接近于失效，錨索未能充分發(fā)揮其錨固作用；由圖1(b)可知，優(yōu)化后的支護(hù)方式錨桿應(yīng)力小于原支護(hù)，在排距3m、單排2根的情況下，錨桿對(duì)圍巖的錨固范圍擴(kuò)大，圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移至錨索，錨索應(yīng)力峰值達(dá)到3.75MPa，更多地發(fā)揮其懸吊作用，減小了錨桿的受力。綜合來看，優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計(jì)能夠充分發(fā)揮錨桿索的協(xié)同支護(hù)作用，增強(qiáng)支護(hù)體-圍巖的整體性，在受力均勻的情況下錨桿、錨索的錨固作用得到充分發(fā)揮，改善了巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

圖1 圍巖及錨桿(索)應(yīng)力分布(巷道掘進(jìn)初期)

2.2.2 超前工作面50m

針對(duì)永寧煤化潘津煤礦原支護(hù)方式與優(yōu)化支護(hù)方式，進(jìn)行了工作面FLAC3D數(shù)值模擬開采，巷道截面超前工作面50m處模擬結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，兩種支護(hù)方式下的最大主應(yīng)力集中于煤幫與底板的夾角附近，而巷道底板由于巷道的開挖，底板由三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力降低，兩種支護(hù)方式下最大主應(yīng)力的分布區(qū)域相似。從錨桿(索)受力來看，原支護(hù)方式下錨桿受力較小，對(duì)圍巖的作用范圍有限，排距6m、每排單根的情況下錨索應(yīng)力峰值為2.439MPa，對(duì)圍巖的錨固效果差，錨索無(wú)法充分發(fā)揮錨固懸吊作用；對(duì)于圖2(b)為優(yōu)化支護(hù)方式的應(yīng)力分布，錨索應(yīng)力峰值達(dá)到4.012MPa，錨索受力大，對(duì)圍巖的作用力大，避免了錨桿受力過大而出現(xiàn)失效的情況?？傮w來看，在超前回采工作面50m處，錨索位于工作面超前支承壓力影響范圍內(nèi)，優(yōu)化后支護(hù)方式對(duì)圍巖的控制作用更強(qiáng)，錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)效果明顯，巷道淺部圍巖位移及應(yīng)力明顯降低，支護(hù)體-圍巖能更好的形成整體，滿足特厚煤層綜放開采對(duì)巷道圍巖強(qiáng)度的要求。

圖2 圍巖與錨桿(索)應(yīng)力分布(超前工作面50m)

2.2.3 超前工作面10m處

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，超前工作面10m處為支承壓力峰值區(qū)域，針對(duì)永寧煤化潘津煤礦原有支護(hù)方式與設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)優(yōu)化的支護(hù)方式，選取此處數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力分析，模擬結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，與巷道掘進(jìn)初期和超前50m情況類似，兩種支護(hù)方式下的最大主應(yīng)力集中于煤幫與底板的夾角附近，兩種支護(hù)方式下最大主應(yīng)力的分布區(qū)域相似。超前工作面10m時(shí)，原支護(hù)設(shè)計(jì)錨桿、錨索受力和作用范圍小于優(yōu)化后支護(hù)設(shè)計(jì)，但大于巷道掘進(jìn)初期和超前50m，應(yīng)力峰值達(dá)到了10MPa，由此可知在超前應(yīng)力增高區(qū)，原支護(hù)設(shè)計(jì)發(fā)揮了一定的作用，但由圍巖變形和應(yīng)力狀態(tài)看出支護(hù)效果未達(dá)到最佳。支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，超前10m處錨桿索應(yīng)力峰值達(dá)到12MPa，相對(duì)于掘進(jìn)初期和超前50m增加幅度較大，由此表明在超前支承壓力的峰值區(qū)域，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)能更好地控制圍巖。

圖3 圍巖及錨桿(索)應(yīng)力分布(超前工作面10m)

綜上所述，在一定壓力范圍內(nèi)，超前壓力越大，優(yōu)化后設(shè)計(jì)對(duì)巷道圍巖的控制效果越明顯，并且錨桿索的應(yīng)力狀態(tài)越好，避免了因超前應(yīng)力過大而造成的破壞失效，優(yōu)化后的錨桿索協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)了支護(hù)體與圍巖的耦合支護(hù)，確保特厚煤層綜放安全開采。

3 支護(hù)優(yōu)化方案

綜合理論分析和數(shù)值模擬，最終支護(hù)方式確定為“錨網(wǎng)索+鋼筋梯”聯(lián)合支護(hù)。

3.1 頂板支護(hù)方式

巷道頂板支護(hù)采用“錨桿、錨網(wǎng)索+鋼筋梯”，頂部錨桿均使用規(guī)格為?22mm×2200mm的高強(qiáng)錨桿；錨桿間排距設(shè)計(jì)為800mm×800mm；使用2支MSCK2350樹脂錨固劑，錨固長(zhǎng)度964mm；錨桿眼孔徑為32mm鐵托盤，規(guī)格為150mm×150mm×8mm；鋼筋梯規(guī)格為3400mm×70mm，排距為800mm，?16mm圓鋼雙面焊接。

沿巷道走向，在巷道中心線左右各1000mm位置布置一列錨索，間距2000mm，排距5000mm。錨索規(guī)格為?15.20mm×7300mm；每根錨索使用4支MSCK2350樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，錨固長(zhǎng)度為1674mm；錨索眼孔徑為32mm的托盤，規(guī)格為300mm×300mm×14mm。預(yù)應(yīng)力不低于120kN，使用MS15-180型錨索張拉器加壓錨索時(shí)，壓力表讀數(shù)不小于31.5MPa。施工期間頂板完好時(shí)錨索滯后迎頭不得大于10000mm，施工中遇頂板破碎，地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等情況時(shí)要求錨索緊跟迎頭或改為架工字鋼棚支護(hù)。

3.2 兩幫支護(hù)方式

巷道兩幫支護(hù)采用“錨桿+錨網(wǎng)”，幫部錨桿規(guī)格為?18mm×2000mm；錨桿間距800mm，排距800mm；每根錨桿使用2支MSCK2335樹脂錨固劑，錨固長(zhǎng)度964mm；錨桿眼孔徑為28mm的鐵托盤，規(guī)格為120mm×120mm×6mm；起錨高度不大于400mm。為防止巷道片幫，同時(shí)滿足平行作業(yè)的要求，割煤前，幫部錨桿滯后工作面的距離不得大于1600mm(2排)，當(dāng)煤體較軟或頂板巖石較破碎時(shí)，兩幫支護(hù)必須緊跟至工作面。回采巷道優(yōu)化支護(hù)方式如圖4所示。

圖4 回采巷道優(yōu)化支護(hù)(mm)

4 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)河南能源新疆公司永寧煤化首采工作面回采巷道的支護(hù)方式進(jìn)行了效果評(píng)價(jià)和優(yōu)化。分析得出，現(xiàn)有的支護(hù)方式能夠滿足巷道掘進(jìn)期間的支護(hù)要求，但難以滿足特厚易自燃煤層煤層綜放工作面回采期間的要求。通過理論分析及掘進(jìn)初期、超前工作面10m和50m的數(shù)值模擬，確定回采巷道的最終支護(hù)方式為“錨網(wǎng)索+鋼筋梯”聯(lián)合支護(hù)，在錨桿、錨索的長(zhǎng)度、直徑、間排距、錨固力、錨固長(zhǎng)度等方面進(jìn)行了優(yōu)化。采用優(yōu)化后的方案完全可以滿足工程需要，巷道的安全系數(shù)相對(duì)較高，為類似條件下煤層巷道支護(hù)設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。