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        8106 風(fēng)巷沿空掘巷煤柱寬度設(shè)計及圍巖控制技術(shù)研究

        2021-11-09 07:59:04孫滿義
        山東煤炭科技 2021年10期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖變形

        孫滿義

        (淮北礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司朱仙莊煤礦,安徽 宿州 234111)

        1 工程概況

        淮北礦業(yè)集團公司朱仙莊煤礦8106 工作面位于十采區(qū)北翼五區(qū)段,工作面南距F11 斷層20 m左右,北距810 回風(fēng)上山下段4 m 左右,上鄰8105工作面采空區(qū),下以F24 斷層為界與十二采區(qū)(未開拓)相鄰。工作面開采8#煤層,煤層平均厚度12.0 m,平均傾角15°。煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。

        表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征表

        8106 風(fēng)巷設(shè)計斷面為三心拱形,巷道沿8#煤層底板掘進,凈寬×凈高=4800 mm×3500 mm。8106 風(fēng)巷掘進期間,鄰近8105 工作面已回采完畢,屬于沿空掘進。由于8#煤層屬松軟煤層,8106 風(fēng)巷掘進期間為確定合理的護巷煤柱寬度及巷道合理的支護方案,特進行沿空掘巷煤柱寬度和圍巖控制技術(shù)的研究分析。

        2 沿空掘巷合理煤柱寬度分析

        為確定8106 風(fēng)巷沿空掘進期間合理的煤柱寬度,考慮到采用理論分析時,眾多參數(shù)的選取與確定會存在一定偏差,會導(dǎo)致計算結(jié)果存在著較大誤差,現(xiàn)為保障煤柱寬度分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行沿空掘巷期間合理煤柱寬度的分析[1-3]。根據(jù)8106 風(fēng)巷的地質(zhì)條件,建立長×寬×高=90 m×140 m×37.5 m 的數(shù)值模型,數(shù)值模型側(cè)邊固定兩側(cè)位移,頂部施加等效覆巖荷載,模型底部作固定處理,模型側(cè)壓系數(shù)取為1.2。具體的數(shù)值模擬模型如圖1。

        圖1 數(shù)值模擬模型圖

        根據(jù)8106 風(fēng)巷的地質(zhì)條件,在充分考慮圍巖穩(wěn)定及經(jīng)濟性的條件下,本次主要對比分析煤柱寬度為3 m、4 m、5 m、8 m、10 m 和12 m 時的圍巖變形特征,主要根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析不同煤柱寬度下煤柱水平位移、窄煤柱變形規(guī)律及圍巖表面位移規(guī)律,具體分析如下:

        2.1 煤柱水平位置

        根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出8106 風(fēng)巷在不同護巷煤柱寬度下掘進時煤柱的水平云圖。由于模擬對比方案較多,故采用曲線圖的方式進行分析。具體不同煤柱寬度下水平位移曲線如圖2。

        圖2 不同煤柱寬度下水平位移曲線圖

        分析圖2 可知,當(dāng)8106 風(fēng)巷沿空掘進期間,煤柱寬度為3 m 時,煤柱水平位移相對不大,但此時煤柱全部處于塑性區(qū)域,無法保障煤柱幾何形狀的穩(wěn)定性。當(dāng)煤柱寬度增大為4 m 時,煤柱的水平位移最大值進一步增大。且在煤柱寬3 m 或4 m 時,在煤柱中部的水平位移較為顯著,這即表明煤柱整體處于非穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)煤柱寬度為5 m 時,護巷煤柱中部水平位移量很小,基本無變化,這即表明煤柱大部分處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)煤柱寬度大于5 m 后,煤柱中部仍呈現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài),但煤柱的水平位移量相較于煤柱為5 m 時出現(xiàn)一定程度的增大。另外從圖中能夠看出,當(dāng)煤柱寬度大于8 m 時,隨著煤柱寬度的增大,煤柱向采空側(cè)的位移量呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。這是由于煤柱寬度較大,煤柱處于側(cè)向支撐壓力峰值影響區(qū)域內(nèi)。

        2.2 圍巖變形量

        不同煤柱寬度下巷道圍巖變形曲線如圖3。

        圖3 不同煤柱寬度下圍巖變形曲線圖

        分析圖3 可知:

        (1)窄煤柱寬度對巷道頂板下沉量影響程度較高。隨著煤柱寬度增大,頂板下沉量呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。當(dāng)煤柱寬度由3 m 增至5 m 時,巷道頂板下沉量由127.4 mm 逐漸減小至89.7 mm,減小幅度42.3%;而當(dāng)煤柱寬度大于8 m 后,隨著煤柱寬度的增大,頂板下沉量呈現(xiàn)出一定的上升趨勢;當(dāng)煤柱寬度大于10 m 后,隨著煤柱寬度的進一步增大,頂板下沉量基本不再變化。巷道底鼓方面,當(dāng)煤柱寬度大于5 m 后,巷道的底鼓量基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。

        (2)窄煤柱幫變形方面。隨著煤柱寬度的增大,窄煤柱的變形呈現(xiàn)為急劇增大—迅速減小—緩慢增長—趨于穩(wěn)定。窄煤柱變形量最大值在煤柱寬度為4 m 時取得,窄煤柱在該寬度下變形量大的主要原因為煤柱處于應(yīng)力增高區(qū),此時煤柱在應(yīng)力作用下處于不穩(wěn)定狀態(tài),易出現(xiàn)大范圍的片幫現(xiàn)象。煤柱寬度為5~8 m 和寬度大于8 m 時窄煤柱幫的變形量基本相同。

        (3)實體煤幫變形方面。實體煤幫的變形量受煤柱寬度變化影響較小,可認為在現(xiàn)有模擬方案下實體煤幫基本均處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

        綜合上述分析可知,結(jié)合礦井生產(chǎn)經(jīng)驗及眾多理論研究結(jié)果[4-6],確定8106 風(fēng)巷的合理煤柱寬度為5 m。

        3 圍巖控制技術(shù)

        3.1 支護方案

        根據(jù)8106 風(fēng)巷的地質(zhì)條件,結(jié)合巷道在5 m煤柱寬度下沿空掘巷期間圍巖變形特征,確定巷道支護方案為:U 型棚+鎖梁錨索、鎖腿錨桿+注漿錨桿、錨索支護。具體支護方案如下:

        (1)U 型棚支護。U 型棚采用U29 可縮性三心拱棚,棚距550 mm(中-中),U 型棚搭接長度400 mm,每處搭接用兩副限位卡纜和一副中部限位卡纜卡緊,卡纜螺母扭矩不小于300 N·m,壁后采用金屬網(wǎng)、雙抗網(wǎng)配合鐵背板全斷面腰背,鐵背板間距300 mm。金屬網(wǎng)為10#鐵絲編織,金屬網(wǎng)搭接

        100 mm。

        (2)鎖梁錨索、鎖腿錨桿。幫部采用兩道鎖腿梁補強支護,距底板以上700 mm、1500 mm 位置各一道;錨桿采用GM22/2600-490 高強螺紋錨桿,間排距550 mm×1000 mm。頂部采用兩道錨索補強支護,巷道采用注漿錨索,錨索型號Φ22 m×9.5 m,間排距3600 mm×1000 mm;注漿錨索采用規(guī)格為Φ25 mm×9300 mm 中空注漿錨,排距1100 mm,注漿材料為水泥漿,水灰比為0.6。

        (3)注漿錨桿。巷道沿空側(cè)采用噴漿+注漿管理。注漿錨桿采用2500 mm 自轉(zhuǎn)式注漿錨桿,注漿錨桿間排距1500 mm×1500 mm,噴厚不小于100 mm。注漿材料同頂板注漿錨索。

        具體巷道支護斷面如圖4。

        圖4 8106 風(fēng)巷支護方式斷面圖

        3.2 效果分析

        8106 風(fēng)巷沿空掘巷期間,在巷道掘進迎頭采用十字布點法進行圍巖變形量監(jiān)測分析,根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪制得出圍巖變形曲線如圖5。

        分析圖5 可知,8106 風(fēng)巷沿空掘巷期間,巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟恐饕霈F(xiàn)在巷道掘出后0~15 d內(nèi);當(dāng)巷道掘出時間大于15 d 后,圍巖變形速率大幅降低,圍巖變形量逐漸趨于穩(wěn)定;當(dāng)巷道掘出的30 d 后,頂?shù)装寮皟蓭鸵平炕静辉侔l(fā)生變化。最終頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟康淖畲笾捣謩e為121 mm和179 mm。綜合上述分析可知,8106 風(fēng)巷在5 m護巷煤柱和現(xiàn)有支護方案下,掘巷期間圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài),滿足回采巷道的使用要求。

        圖5 沿空掘巷期間圍巖變形曲線圖

        4 結(jié)論

        根據(jù)8106 風(fēng)巷的地質(zhì)及賦存特征,通過數(shù)值模擬軟件進行沿空掘巷期間合理護巷煤柱寬度的分析,確定8106 風(fēng)巷沿空掘巷期間的合理煤柱寬度為5 m?;跀?shù)值模擬結(jié)果,設(shè)計巷道采用U 型棚+鎖梁錨索、鎖腿錨桿+注漿錨桿、錨索的支護方案。根據(jù)巷道掘進期間的圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,沿空掘巷期間圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài),滿足回采巷道使用要求。

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