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        特厚煤層預(yù)掘回撤通道錨-梁-注綜合控制技術(shù)研究

        2021-06-21 01:29:30陳萬輝
        煤炭工程 2021年6期
        關(guān)鍵詞:采動煤柱塑性

        趙 強,石 蒙,周 鵬,陳萬輝

        (1.內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010303;2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013;3.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013)

        預(yù)掘回撤通道是目前大型礦井最主要的回撤通道布置方式,與自開回撤通道相比,預(yù)掘回撤通道提前將巷道掘出,減少搬家時間,提高了工作面接續(xù)效率。然而,工作面回采至附近時,主回撤通道將要經(jīng)受劇烈的采動影響,圍巖變形量普遍很大[1-5]。對于特厚煤層綜放工作面來說,煤層厚度一般超過10m,回撤通道頂板和兩幫均為煤體,超前采動應(yīng)力影響下煤體的破壞更加嚴(yán)重,預(yù)掘回撤通道維護(hù)難度很大。

        近年來,在特厚煤層預(yù)掘回撤巷道穩(wěn)定性保障及支護(hù)技術(shù)方面,學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。呂坤等[6]提出主控頂板和煤柱幫的原則,采用錨桿索聯(lián)合支護(hù),在酸刺溝煤礦特厚煤層回撤通道得到成功應(yīng)用。郭浩森等[7]選用錨網(wǎng)索和H型鋼梁組合支護(hù)形式進(jìn)行回撤通道圍巖控制,保證工作面安全回撤。劉愛卿[8]采用數(shù)值模擬方法研究了特厚煤層預(yù)掘回撤通道圍巖應(yīng)力演化規(guī)律,提出煤柱加固措施。魏恒征[9]通過研究肖家洼煤礦特厚煤層工作面末采階段工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,提出采取讓壓措施并提前對回撤通道進(jìn)行“錨索+鋼筋梯”補強支護(hù)的方法,現(xiàn)場應(yīng)用效果較好。馬祥等[10]建立了綜放工作面頂板斷裂來壓力學(xué)模型,采取在主撤巷道內(nèi)加強支護(hù)、控制貫通前后工作面高差等措施保障順利回撤。

        現(xiàn)有研究成果中特厚煤層主回撤通道支護(hù)技術(shù)研究還是以錨桿錨索及其組合構(gòu)件優(yōu)化為主,缺少對于新型支護(hù)形式的研究,并且特厚煤層回撤通道頂板相當(dāng)大厚度范圍內(nèi)和兩幫均為煤體,圍巖變形破壞特征有其特殊性,需要進(jìn)行深入研究。因此,以不連溝煤礦特厚煤層綜放工作面主回撤通道為背景,綜合采用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬研究了預(yù)掘主回撤通道變形破壞特征,并提出錨-梁-注綜合控制技術(shù),研究成果在現(xiàn)場進(jìn)行了驗證。

        1 工程概況

        不連溝煤礦主采石炭系太原組6號煤層,西翼采區(qū)煤層埋深400m左右,工作面煤層厚度平均為15.6m,采用綜采放頂煤開采方式。煤層直接頂為厚度約3.45m的砂質(zhì)泥巖,之上為厚度約2.76m的6上煤,基本頂為厚度約5.95m的砂質(zhì)泥巖;直接底巖性為厚度約2.09m的泥巖,之下為厚度約3.29m的6下煤。

        不連溝煤礦工作面回撤通道為預(yù)掘方式,分為主回撤通道和副回撤通道,主回撤通道斷面尺寸為寬5.5m、高4.0m,原支護(hù)設(shè)計中采用錨桿索配合垛式支架支護(hù)方式,其中,頂板錨桿桿體為22#左旋無縱筋335號螺紋鋼筋,長度2.5m,樹脂加長錨固,采用鋼筋托梁作為錨桿組合構(gòu)件,錨桿施工預(yù)緊扭矩要求為150N·m;護(hù)表網(wǎng)采用鋼筋網(wǎng)和菱形網(wǎng)組成的雙層網(wǎng);錨桿間排距為1000mm×1000mm。錨索材料為?17.8mm,1×7股預(yù)應(yīng)力鋼絞線,長度8m;錨索排距2000mm,每排布置4根。回采幫采用桿體直徑為20mm的玻璃鋼錨桿支護(hù),長度2.4m;煤柱幫采用22#左旋無縱筋335號螺紋鋼筋,長度2.5m,樹脂加長錨固,后期進(jìn)行錨索補強,錨索材料為?17.8mm,1×7股預(yù)應(yīng)力鋼絞線,長度6m。原設(shè)計方案主回撤通道支護(hù)斷面如圖1所示。

        圖1 原設(shè)計方案主回撤通道支護(hù)斷面(mm)

        在此支護(hù)形式下,工作面回采至回撤通道附近時,主回撤通道發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞,主要表現(xiàn)為頂板下沉、底鼓、煤柱幫內(nèi)擠,嚴(yán)重時頂?shù)装逡平窟_(dá)到1.5m,煤柱幫擠出近1m,對工作面支架撤出產(chǎn)生嚴(yán)重影響。副回撤通道由于煤柱寬度較大(30m),受工作面動壓影響不大,巷道穩(wěn)定性較好。

        2 主回撤通道變形破壞特征分析

        2.1 末采期間主回撤通道變形監(jiān)測

        為研究工作面末采期間主回撤通道圍巖變形規(guī)律與特征,在采用原支護(hù)設(shè)計方案的F6207主回撤通道布置3個表面位移測站,測站位置如圖2所示。

        圖2 F6207主回撤通道表面位移測站布置

        F6207主回撤通道在與工作面接近過程中的表面位移監(jiān)測結(jié)果如圖3所示,可以分析得出圍巖變形規(guī)律。末采期間主回撤通道圍巖變形趨勢主要分為三個階段,即不受采動影響階段、采動影響階段和劇烈采動影響階段。不受采動影響階段為掘進(jìn)完成直至距離工作面60~70m以外,在這個階段主回撤通道基本沒有變形。采動影響階段自距離工作面60~70m開始,主回撤通道圍巖開始產(chǎn)生變形,但變形量不是很大。劇烈采動影響階段為距離工作面30m左右開始,直至貫通,圍巖變形量開始大幅增加,頂板下沉量一般達(dá)到300~400mm,并伴有破碎網(wǎng)兜現(xiàn)象,對于回撤期間頂板控制十分不利,底鼓現(xiàn)象很明顯。兩幫明顯變形,以煤柱幫為主,其中煤柱幫變形較大,受壓后破碎現(xiàn)象突出。

        圖3 F6207主回撤通道表面位移監(jiān)測結(jié)果

        根據(jù)三個測站的位移觀測結(jié)果,可以看出主回撤通道中部的圍巖位移明顯大于兩端,說明主回撤中部承受的采動壓力最大,兩端承受的壓力較小。

        2.2 末采期間主回撤通道圍巖破壞模擬分析

        采用UDEC模擬工作面末采期間主回撤通道塑性區(qū)變化特征,建立模型尺寸為300m×100m,模型底部固支,兩側(cè)絞支,頂部按照埋深施加應(yīng)力邊界,模型主要物理力學(xué)參數(shù)與節(jié)理面參數(shù)見表1、表2。

        表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

        表2 節(jié)理力學(xué)參數(shù)

        對主回撤通道距工作面40m直至貫通時的圍巖塑性區(qū)分布進(jìn)行數(shù)值計算,此過程中工作面只割煤不放煤,模擬結(jié)果如圖4所示??梢钥闯?,主回撤通道圍巖塑性區(qū)范圍隨工作面靠近而逐漸增大,主回撤通道距工作面30m時,頂板塑性區(qū)高度開始明顯增大,約為1.5m,兩幫塑性區(qū)寬度約為1.5m;主回撤通道距工作面20m時,頂板塑性區(qū)高度擴(kuò)展到2.8m,煤柱幫塑性區(qū)寬度為1.8m,回采幫塑性區(qū)寬度為2.1m;主回撤通道距工作面10m時,圍巖塑性區(qū)急劇擴(kuò)展,頂板塑性區(qū)高度達(dá)到6m,煤柱幫塑性區(qū)寬度為2.4m,回采幫塑性區(qū)寬度為2.7m;主回撤通道距工作面5m時,頂煤范圍已基本全部進(jìn)入塑性區(qū),回采側(cè)煤體已與工作面連通,承載能力大幅弱化;主回撤通道與工作面貫通后,圍巖整體形成很大的塑性破壞范圍。

        圖4 主回撤通道距工作面不同距離時圍巖塑性區(qū)分布

        3 主回撤通道圍巖控制技術(shù)

        從以上分析可以得出,預(yù)掘主回撤通道經(jīng)受的采動影響要強于一般的動壓巷道,尤其是與工作面距離不足30m后,將要進(jìn)入強烈采動影響階段,主回撤通道頂煤厚度很大,貫通后頂煤整體變?yōu)樗苄誀顟B(tài),承載能力大幅減弱,幫部只有煤柱幫一側(cè)承載。特厚煤層預(yù)掘回撤通道支護(hù)重點在于:①通過錨桿索支護(hù)實現(xiàn)強力護(hù)表,對淺部煤體進(jìn)行強化[11-13],使其在強烈動壓作用下仍保留一定的承載能力;②通過長錨索配合剛性工字鋼梁,形成具有強托頂能力的錨吊梁結(jié)構(gòu),即使頂煤進(jìn)入大面積塑性狀態(tài),也能良好發(fā)揮懸吊作用;③對兩幫進(jìn)行注漿加固,增強幫部煤體完整性,使回采幫在貫通前能夠保持承載能力,煤柱幫能夠減輕破壞程度[14-16]。具體支護(hù)方案如下所述。

        3.1 強力錨桿索支護(hù)

        基于原有支護(hù)設(shè)計對錨桿索支護(hù)進(jìn)行強化,提高錨桿索強度和支護(hù)剛度。錨桿屈服強度由335MPa增至500MPa,錨桿扭矩由150N·m提高到400N·m;回采幫上部三根錨桿由玻璃鋼錨桿更換為螺紋鋼錨桿。錨索直徑由17.8mm更換為21.6mm,每排兩根,張拉預(yù)緊力提高到250~300kN,其他支護(hù)材料和參數(shù)不變。新方案主回撤通道錨桿索支護(hù)斷面如圖5所示。

        圖5 新方案主回撤通道錨桿索支護(hù)斷面(mm)

        3.2 頂板錨吊梁支護(hù)

        錨桿索支護(hù)后架設(shè)垛式支架前,采用錨吊梁支護(hù)將錨桿索支護(hù)形成的淺部承載體錨固到深部穩(wěn)定巖層中,并通過長錨索壓緊雙工字鋼梁對頂板形成強力托頂構(gòu)件,使得工作面回撤時頂板在垛式支架撤出后,也能有效發(fā)揮托頂作用。

        錨吊梁采用4根直徑17.8mm、長度12m的錨索配合雙工字鋼組合而成,在錨吊梁上用14mm厚的鋼板包焊加固,并加工錨索孔,錨吊梁加工形式如圖6所示。頂板錨吊梁打設(shè)在每兩排錨桿中間,排距為1000mm,錨索張拉預(yù)緊力不低于200kN。

        圖6 頂板錨吊梁(mm)

        3.3 兩幫注漿加固

        基于主回撤通道幫部破壞嚴(yán)重的情況,采用注漿加固方式進(jìn)行幫部煤體強化,注漿工作在主回撤通道距離工作面100m前完成。注漿材料為水泥-水玻璃雙液漿,水灰比0.8∶1~1∶1,通過注漿錨桿進(jìn)行注漿。注漿錨桿為直徑20mm的鋼管制作而成,管壁厚度3mm,端部加工100mm的螺紋,待注漿結(jié)束后安裝托板螺母用。桿體每隔200mm對開一組出漿孔,距離螺紋段100mm焊接20mm的圓鋼環(huán)作為止?jié){環(huán)。注漿錨桿如圖7所示。

        圖7 注漿錨桿結(jié)構(gòu)(mm)

        末采前對煤柱幫和回采幫進(jìn)行注漿,注漿錨桿長度分為3m和5m兩種規(guī)格,每排布置3根,兩種長度注漿錨桿交替布置,排距900mm,先注3m,后注5m,注漿壓力為1.5~3MPa,每孔注漿量200~300kg。

        3.4 支護(hù)方案數(shù)值模擬驗證

        為驗證支護(hù)技術(shù)合理性,數(shù)值模擬新支護(hù)方案的應(yīng)用效果。采用UDEC中的 cable單元模擬錨桿和錨索,beam單元模擬工字鋼梁支護(hù),support單元模擬垛式支架支護(hù),幫部注漿采用賓漢漿液滲流模型進(jìn)行模擬。

        采用錨-梁-注綜合控制技術(shù)后,工作面距回撤通道只有5m時,主回撤通道圍巖位移矢量如圖8所示,從模擬結(jié)果來看,應(yīng)用新支護(hù)設(shè)計方案后,當(dāng)主回撤通道受采動壓力影響較大時,頂板和幫部變形量能夠得到有效控制,頂板位移量均在300mm以內(nèi),且完整性能夠得到保障,支護(hù)改善效果明顯。

        圖8 新方案主回撤通道圍巖變形模擬位移矢量

        4 現(xiàn)場應(yīng)用與驗證

        在不連溝煤礦F6216工作面進(jìn)行主回撤通道進(jìn)行錨-梁-注綜合控制技術(shù)現(xiàn)場試驗,為驗證巷道支護(hù)效果,參照F6207主回撤通道位移監(jiān)測,在類似位置布置3個新位移測站,進(jìn)行末采期間圍巖位移監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

        圖9 F6216主回撤通道表面位移監(jiān)測結(jié)果

        由監(jiān)測結(jié)果可以得出,F(xiàn)6216主回撤通道距工作面70m左右位移開始明顯增長,距工作面30m左右位移開始大幅增長,變形趨勢與F6207主回撤通道基本相同,但圍巖變形量大幅減小,頂板和兩幫的變形量降低50%以上,底鼓量降低約30%,并且煤體鼓包破碎現(xiàn)象明顯減少。工作面最終順利回撤,縮短了搬家時間,整體效益得到提升。

        5 結(jié) 論

        1)末采期間主回撤通道圍巖變形趨勢主要分為三個階段,即不受采動影響階段、采動影響階段和劇烈采動影響階段。采動影響階段為距離工作面60~70m開始,劇烈采動影響階段為距離工作面30m左右直至貫通。主回撤通道距工作面30m開始,頂板塑性區(qū)高度開始明顯增大,與工作面貫通后,頂幫煤體形成大面積塑性區(qū)。

        2)針對特厚煤層預(yù)掘回撤通道提出錨-梁-注綜合控制技術(shù),通過錨桿索支護(hù)實現(xiàn)強力護(hù)表,通過長錨索配合剛性工字鋼梁,形成具有強托頂能力的錨吊梁結(jié)構(gòu),通過對兩幫進(jìn)行注漿加固,增強幫部煤體完整性,加強煤體承載能力,

        3)錨-梁-注綜合控制技術(shù)在F6216主回撤通道進(jìn)行應(yīng)用驗證,結(jié)果表明,該技術(shù)能夠大幅降低圍巖變形量,煤體完整性保持良好,有利于工作面順利、快速回撤。

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