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        溫莊煤業(yè)15106回風(fēng)巷沿空掘巷圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

        2021-08-02 02:31:56曹高生
        2021年8期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖變形

        曹高生

        (山西潞安溫莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長治 046307)

        1 工程概況

        山西潞安溫莊煤業(yè)有限責(zé)任公司15106工作面位于回風(fēng)下山東南,西面緊鄰 15100工作面采空區(qū),工作面開采15號煤層,煤層厚3.08~4.91 m,平均厚4.45 m,煤層頂板巖層為泥巖和細(xì)砂巖,底板巖層為含鋁泥巖和泥巖。15106回風(fēng)巷沿工作面走向呈南北布置, 巷道設(shè)計沿煤層底板掘進(jìn),見圖1。為了優(yōu)化采區(qū)巷道布置,提高采出率,15106 回風(fēng)巷留小煤柱,為確定合理的煤柱寬度及沿空掘巷圍巖支護(hù)方案,特進(jìn)行沿空掘巷圍巖控制技術(shù)的研究。

        圖1 15106回風(fēng)巷位置示意

        2 煤柱合理寬度分析

        2.1 合理煤柱留設(shè)原則

        根據(jù)采區(qū)的巷道布置形式可知,在進(jìn)行區(qū)段煤柱的寬度設(shè)計時,需要滿足的條件主要有以下幾個方面:①在沿空掘巷條件下,區(qū)段煤柱要保證有一定的承載性;②在本工作面采動擾動下,充分發(fā)揮錨桿支護(hù)和圍巖自承的能力,圍巖變形量在允許的范圍內(nèi),區(qū)段煤柱具有較高的穩(wěn)定性;③與采空區(qū)進(jìn)行隔離,防風(fēng)隔矸隔水;④區(qū)段煤柱在設(shè)計時,將塑性區(qū)分為靠近采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)和巷道掘進(jìn)時產(chǎn)生的塑性區(qū),不考慮本工作面采動影響下內(nèi)部的塑性區(qū)拓展,只需保證本工作面采動影響下具有較高的穩(wěn)定性即可[1-3]。

        2.2 合理煤柱寬度模擬分析

        由于礦井地質(zhì)資料有限,采用理論分析的方式進(jìn)行煤柱寬度分析時,會存在著較大的誤差,現(xiàn)為有效確定合理的煤柱寬度,根據(jù)15106工作面的地質(zhì)條件,采用UDEC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行煤柱合理寬度的模擬分析。建立模型長200 m、寬 33.4 m。模型左右邊界及底部固定,在頂部施加 6 MPa 大小的垂直應(yīng)力,設(shè)置模型中,巷道平均埋深為 250 m,側(cè)壓系數(shù)取1.0[4], 斷面設(shè)計尺寸為高 3.6 m、寬 4.7 m,模型中各巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

        表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

        為確保數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,數(shù)值模擬時先進(jìn)行15100工作面的回采作業(yè)。15100工作面回采完畢后,分別設(shè)置3 m、5 m、8 m及15 m 四種煤柱寬度分別進(jìn)行15106回風(fēng)巷道的掘進(jìn)作業(yè),根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分別分析不同煤柱寬度下圍巖垂直應(yīng)力、煤柱裂隙分布和煤柱變形破壞情況,具體分析情況如下:

        1) 垂直應(yīng)力:不同煤柱寬度下圍巖垂直應(yīng)力分布云圖見圖2。

        圖2 不同煤柱寬度下垂直應(yīng)力分布云圖

        分析圖2可知,煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力隨煤柱寬度的增大而逐漸增大,煤柱寬度為3 m時,應(yīng)力峰值為3.5 MPa(原巖應(yīng)力6.25 MPa),此時煤柱整體處于塑性狀態(tài);煤柱寬度為5 m時,煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值為12 MPa,此時煤柱具有一定承載能力,但煤柱整體呈塑性承載;當(dāng)煤柱為8 m時,煤柱內(nèi)應(yīng)力呈單峰曲線,峰值應(yīng)力約為20 MPa,高于原巖應(yīng)力,其峰值出現(xiàn)在巷道6.2 m處;區(qū)段煤柱為15 m時,煤柱內(nèi)應(yīng)力呈單峰曲線峰值為25 MPa,其峰值出現(xiàn)在巷道6 m處。

        2) 煤柱裂隙分布:不同煤柱寬度下煤柱裂隙分布形式見圖3。

        圖3 不同煤柱寬度下掘巷期間煤柱內(nèi)裂隙分布

        分析圖3可知,隨著煤柱寬度不斷增加,煤柱內(nèi)裂隙閉合區(qū)范圍越來越大。煤柱為3 m時,煤柱整體處于塑性破壞裂隙區(qū),失去了承載能力;區(qū)段煤柱為5 m時,煤柱內(nèi)裂隙開始出現(xiàn)不貫通區(qū)域(即裂隙閉合區(qū)),其范圍大約為1 m;區(qū)段煤柱為8 m時,煤柱內(nèi)裂隙閉合區(qū)長度約為2.9 m;區(qū)段煤柱為15 m時,煤柱內(nèi)裂隙閉合區(qū)長度約為5.1 m。

        3) 煤柱變形:根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,得出15106回風(fēng)巷掘進(jìn)過程得出不同煤柱寬度下煤柱破壞變形情況,具體結(jié)果見圖4。

        圖4 不同煤柱寬度下掘巷期間煤柱破壞變形曲線

        分析圖4可知,隨著煤柱寬度不斷增加,煤柱變形量呈現(xiàn)一個先減小后增大的變化過程。區(qū)段煤柱為3 m時,煤柱整體破壞較為嚴(yán)重,臨近巷道幫最大變形量超過600 mm,采空區(qū)側(cè)煤柱最大變形量約為400 mm;區(qū)段煤柱為5 m時,臨近巷道幫變形量約為190 mm,采空區(qū)側(cè)煤柱變形量約為230 mm;區(qū)段煤柱為8 m時,臨近巷道幫變形量約為200 mm,采空區(qū)側(cè)煤柱變形量約為500 mm;區(qū)段煤柱為15 m時,臨近巷道幫變形量約為260 mm,采空區(qū)側(cè)煤柱變形量約為580 mm。

        2.3 煤柱寬度分析

        基于上述分析可知,當(dāng)煤柱寬度為3 m時,煤柱整體發(fā)生塑性破壞整體變形較大失去其承載能力,在煤柱寬度從8 m增加到15 m的過程中,煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)單峰曲線,應(yīng)力峰值遠(yuǎn)大于原巖應(yīng)力,其峰值出現(xiàn)位置向15106回風(fēng)巷方向移近,此時煤柱整體破壞變形較大。當(dāng)煤柱寬度為5 m時,煤柱內(nèi)應(yīng)力值高于原巖應(yīng)力,煤柱具有一定的承載能力,煤柱內(nèi)開始出現(xiàn)裂隙閉合區(qū),煤柱較為完整,破壞變形相對較小。通過模擬回采期間不同超前距離條件下5 m煤柱的承載特性,驗證了5 m煤柱的合理性??紤]到回采過程中受超前支承壓力影響,煤體內(nèi)裂隙閉合區(qū)長度的問題,同時巷道掘進(jìn)過程中的施工問題,為增大掘進(jìn)及回采過程中巷道的安全系數(shù)[5-6],最終確定護(hù)巷煤柱寬度為6 m。

        3 圍巖控制技術(shù)

        3.1 支護(hù)方案

        根據(jù)15106回風(fēng)巷的地質(zhì)條件,結(jié)合6 m煤柱下的變形特征,設(shè)計巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)方案,具體支護(hù)參數(shù)如下:

        1) 頂板支護(hù):頂錨桿使用 MSGLW-335 22/2400 螺紋高強錨桿,間排距為850 mm×1 000 mm,頂部錨桿垂直于巷道頂板(其中頂角錨桿外偏 15°)打設(shè);錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m;頂錨索使用D18.9 mm×6 300 mm 的礦用錨索,錨索沿巷道頂板呈 2-1-2 布置。1 根錨索時,在巷道中部打設(shè);2 根錨索時,沿巷道頂板中心線平均布置,間距為1 700 mm,排距為1 000 mm,錨索預(yù)緊力為150 kN,采用10號鍍鋅經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)頂,4 700 mm×1 100 mm(長×寬),用 16號鉛絲聯(lián)接,雙絲雙扣,搭接長度不低于100 mm。

        2) 兩幫支護(hù):采用 MSGLW-33522/2000 螺紋高強錨桿,間排距為800 mm×1 000 mm,幫部錨桿垂直于幫部墻體(其中幫角錨桿外偏 15°)打設(shè);采用高強度拱形托盤,尺寸為150 mm×150 mm×10 mm,采用10號鍍鋅經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)頂,3 600 mm×1 100 mm(長×寬),用16號鉛絲聯(lián)接,雙絲雙扣,搭接長度不低于100 mm,錨桿間采用鋼筋托梁聯(lián)結(jié),托梁采用D14 mm的圓鋼焊接而成,規(guī)格為:D14-3400×80-5-800 mm。

        15106 回風(fēng)巷錨桿支護(hù)斷面見圖5。

        圖5 15106回風(fēng)巷支護(hù)布置示意(mm)

        3.2 效果分析

        15106運輸巷在沿空掘巷期間,在滯后掘進(jìn)迎頭10 m的位置處布置巷道表面位移監(jiān)測點,每2 d測量1次,持續(xù)觀測60 d,根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可繪制出圍巖變形量曲線見圖6。

        分析圖6可知,掘巷期間圍巖變形量主要集中在巷道掘出后0~20 d范圍內(nèi),巷道掘出30 d后,巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平炕具_(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為91 mm和150 mm。

        4 結(jié) 語

        根據(jù)15106回風(fēng)巷地質(zhì)條件,通過數(shù)值模擬軟件得出合理煤柱寬度為6 m,結(jié)合6 m煤柱下煤柱變形特征,具體設(shè)計沿空掘巷期間圍巖支護(hù)方案,根據(jù)掘巷期間圍巖變形數(shù)據(jù)可知,沿空掘巷期間圍巖變形量小,保障了圍巖的穩(wěn)定。

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