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        15201 運輸順槽圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

        2021-11-09 08:29:32焦炎斌
        山東煤炭科技 2021年10期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖變形

        焦炎斌

        (山西高平科興游仙山煤業(yè)有限公司,山西 高平 048400)

        1 工程概況

        山西高平科興游仙山煤業(yè)有限公司15201 工作面位于二采區(qū),工作面開采15#煤層,煤層厚度3.40~4.90 m,平均3.97 m,屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層,煤層節(jié)理裂隙發(fā)育。煤層頂板為K2 灰?guī)r,底板為黑色泥巖或細(xì)粒砂巖。15201 回風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn),掘進(jìn)高度×寬度=3.4 m×4.2 m,巷道為全煤巷道。由于煤層節(jié)理裂隙發(fā)育,為保障15201 回風(fēng)順槽圍巖的穩(wěn)定,進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性的分類及回風(fēng)順槽圍巖控制技術(shù)的研究。

        2 圍巖穩(wěn)定性及支護參數(shù)設(shè)計

        2.1 圍巖穩(wěn)定性分類

        回采巷道圍巖穩(wěn)定性受多種因素的影響,主要包括頂板巖層、煤層及底板巖層的單軸抗壓強度,巷道埋深、采動影響系數(shù)、圍巖完整性等因素。在進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性劃分時,圍巖完整性指數(shù)是指圍巖節(jié)理、裂隙和層理的影響程度,一般可利用直接頂初次垮落步距代替[1-3]。

        15#煤層頂板為K2 灰?guī)r,平均厚5.39 m,平均抗壓強度為43.1 MPa,平均抗拉強度為4.89 MPa,平均抗剪強度為7.30 MPa,巖石堅硬程度屬中硬~堅硬巖。底板鋁土質(zhì)泥巖,平均厚度5.00 m,平均抗壓強度21.65 MPa,平均抗拉強度1.22 MPa,平均抗剪強度1.82 MPa,巖石堅硬程度屬極軟弱巖~中硬巖[4]。15#煤層頂、底板為穩(wěn)定性較好類頂?shù)装濉?/p>

        根據(jù)煤礦錨桿支護技術(shù)規(guī)范,錨桿支護基本形式為:端錨桿體直徑>16 mm,桿體長度1.6~2.0 m,間排距0.8~1.2 m,設(shè)計錨固力64~80 kN[5-6]。

        2.2 錨桿支護參數(shù)設(shè)計

        根據(jù)15201 工作面的地質(zhì)條件,結(jié)合15201 運輸順槽圍巖穩(wěn)定性的分類結(jié)果,為確定合理的支護參數(shù),采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行支護參數(shù)的分析。數(shù)值模型長×寬×高=190 m×100 m×85 m。模型的四個側(cè)面為位移邊界,限制水平移動;底部為固定邊界,限制水平移動和垂直移動;模型頂部施加垂直應(yīng)力的等效荷載。結(jié)合礦井回采巷道的支護經(jīng)驗,為合理設(shè)計錨桿支護參數(shù),設(shè)計四種支護方案進(jìn)行對比分析,具體模擬方案見表1。

        表1 數(shù)值模擬方案表

        根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,具體對巷道在不同支護方案下的塑性區(qū)分布、垂直應(yīng)力分布及圍巖變形量進(jìn)行分析。

        (1)塑性區(qū)分布。巷道在四種支護方案下塑性區(qū)分布如圖1。

        圖1 四種支護方案下圍巖塑性區(qū)發(fā)育特征

        分析圖1 可知,四種支護方案下,巷道兩幫及底板塑性區(qū)的發(fā)育特征基本相同,方案四頂板塑性區(qū)發(fā)育范圍最小。巷道圍巖頂板支護中,錨桿均錨固在完整巖層內(nèi),塑性區(qū)為發(fā)展至頂板錨桿錨固區(qū)。

        (2)垂直應(yīng)力。巷道在四種支護方案下圍巖垂直應(yīng)力分布如圖2。

        由圖2 可知,巷道在四種不同支護方案下,巷道垂直應(yīng)力在頂板和底板范圍內(nèi)呈拱形分布,頂板和底板出現(xiàn)一定范圍垂直應(yīng)力低于原巖應(yīng)力的卸壓拱,巷道兩幫1.8~2.4 m 范圍和底角處垂直應(yīng)力最大,從方案一到方案四兩幫垂直應(yīng)力的最大值分別為8.95 MPa、9.11 MPa、9.12 MPa 和8.94 MPa。且從圖中能夠看出在采用方案四時,頂板錨桿支護基本均處于卸壓拱內(nèi),能提升錨桿支護對圍巖控制的效果。

        圖2 四種支護方案下圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

        (3)圍巖變形量?;跀?shù)值模擬結(jié)果得出巷道在不同參數(shù)錨桿支護時圍巖變形數(shù)據(jù),見表2。

        表2 四種支護方案下圍巖變形量

        通過對比分析不同支護方案下的巷道掘進(jìn)期間圍巖變形量數(shù)據(jù)可知,巷道圍巖變形量隨著頂板支護強度的增大而逐漸減小。其中:巷道在采用方案四時,頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟孔钚。捎梅桨付头桨溉龝r,圍巖變形量相對較大。據(jù)此可知,改進(jìn)方案四對巷道位移控制作用最為明顯。方案一巷道圍巖基本得到穩(wěn)定控制,方案二與方案一支護效果較為接近,而方案三巷道圍巖位移較大,尤其是兩幫的收縮量較其他方案大幅增加。

        綜合上述數(shù)值模擬分析可知,巷道頂板最外側(cè)兩根錨桿又向外傾斜20°,形成了“斜錨桿”,可降低巷道肩部圍巖的破壞,增強巷道錨固圈整體的穩(wěn)定性。建議巷道頂板采用Ф20 mm×2000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,間排距為1200 mm×1000 mm,兩幫用Ф20 mm×2400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,間排距變?yōu)?200 mm×1000 mm,其他支護方案不變,但須視頂板圍巖變化在必要時加長錨桿長度,或補打錨索支護。

        3 圍巖控制技術(shù)

        3.1 圍巖支護方案

        根據(jù)15201 運輸順槽的地質(zhì)條件,結(jié)合圍巖穩(wěn)定性的分類結(jié)果及錨桿支護參數(shù)的分析結(jié)果,設(shè)計巷道采用錨網(wǎng)索支護方案,具體支護參數(shù)如下:

        (1)頂板支護。頂板錨桿采用高強度螺紋鋼(20MnSi),型號為Ф20 mm×2000 mm,間排距為1000 mm×1200 mm,錨桿錨固長度為1140 mm,預(yù)緊力為300 N·m,錨桿托盤采用120 mm×10 mm圓托盤,靠近兩幫的頂板錨桿向兩幫傾斜20°布置,其余錨桿均垂直于頂板布置。頂板錨索采用1×7 股鋼絞線,型號為Ф17.8 mm×6300 mm,間排距為2200 mm×2400 mm,錨索錨固長度為2280 mm,錨索采用三花2+1 布置,錨索預(yù)緊力為100 kN,錨索托盤選用300 mm×300 mm×16 mm 高強度托盤,采用Ф6.0 mm 的鋼筋焊接而成的矩形鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護頂。

        (2)兩幫支護。實體煤幫錨桿采用高強度螺紋鋼(20MnSi),規(guī)格為Ф20 mm×2400 mm。工作面煤幫錨桿采用玻璃鋼錨桿(MGSL-20),規(guī)格為Ф20 mm×2400 mm,間排距均為1000 mm×1200 mm,錨固長度均為450 mm。靠近頂板和底板的幫錨桿向頂板和底板傾斜20°,其余錨桿均垂直于巷幫布置,幫錨桿預(yù)緊扭矩為150 N·m,同樣采用Ф6.0 mm 的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護幫。

        具體巷道支護方案如圖3。

        圖3 開切眼圍巖移近曲線圖

        圖3 15201 運輸順槽支護方式布置示意圖

        3.2 效果分析

        15201 運輸順槽掘進(jìn)期間采用十字布點法進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測,圍巖變形監(jiān)測點布置在巷道迎頭,隨著巷道掘進(jìn)持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量記錄,最終匯總數(shù)據(jù)繪制出圍巖變形隨時間的變化曲線如圖4。

        圖4 掘巷期間圍巖變形曲線圖

        分析圖4 可知,15201 運輸順槽掘進(jìn)期間圍巖變形主要出現(xiàn)在巷道掘出0~40 d 內(nèi),當(dāng)掘出時間大于40 d 后,頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟烤蠓档?,圍巖逐漸趨于穩(wěn)定,當(dāng)巷道掘出50 d 后,圍巖基本不再出現(xiàn)變化。最終頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟康淖畲笾捣謩e為52 mm 和85 mm,表明巷道在該支護方案下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        4 結(jié)論

        根據(jù)15201 運輸順槽的地質(zhì)條件,基于巷道頂板屬較好類頂板的特征,結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果,確定錨桿的支護參數(shù),結(jié)合巷道具體特征,進(jìn)行錨網(wǎng)索支護方案的設(shè)計。根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的圍巖變形監(jiān)測結(jié)果可知,巷道圍巖在該種支護方案下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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