陳 鵬
(山西焦煤集團(tuán)嵐縣正利煤業(yè)有限公司,山西 嵐縣 033000)
正利煤業(yè)位于山西省呂梁市嵐縣東部社科鄉(xiāng)葛鋪村,14-1104 工作面主采4#煤層,平均埋深為554 m,煤層厚度平均為3.15 m。煤層上方頂板巖層依次為平均厚0.32 m 的砂質(zhì)泥巖、平均厚5.40 m的細(xì)砂巖及平均厚5.51 m 的粉砂巖;底板巖層分別為4.17 m 的砂質(zhì)泥巖和2.25 m 的粉砂巖。煤層傾角平均8°,地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,煤層全區(qū)可采。
14-1104 工作面回采巷道支護(hù)方式為:頂板布置5 根Ф20 mm×2200 mm 的螺紋鋼錨桿,間排距為1000 mm×1000 mm。在頂錨桿間隔位置,布置2 根Ф18 mm×6500 mm 的錨索,間排距為1000 mm×2000 mm。幫錨桿選用Ф18 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿,每幫布置3 根,間排距為1000 mm×1000 mm。鋪設(shè)50 mm×50 mm 規(guī)格的金屬網(wǎng)。
在超前工作面100 m 及200 m 布置兩個(gè)監(jiān)測(cè)站,對(duì)工作面回采過(guò)程中巷道頂板離層量、頂板下沉量及兩幫移近量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[1-2]。
(1)頂板離層量
在頂板兩根錨桿中間布置頂板離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)[3-4],為更準(zhǔn)確掌握頂板巖層離層位置,頂板離層深基點(diǎn)分別設(shè)置0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m、6.0 m 及7.0 m。頂板離層監(jiān)測(cè)曲線如圖1。
如圖1,在工作面回采初期,監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面較遠(yuǎn),頂板巖層并未出現(xiàn)離層現(xiàn)象。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面80 m范圍以內(nèi)時(shí),頂板巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象,在距離工作面60 m 以內(nèi)時(shí),離層量增大較為明顯。如圖1(a),測(cè)站1 在采場(chǎng)上方0.5~1.5 m 及2.0~2.5 m 位置發(fā)生離層現(xiàn)象,離層量分別為1.35 mm 及2.23 mm。如圖1(b)所示,測(cè)站2 在采場(chǎng)上方0.5~1.0 m、2.5~3.0 m 及6.0~7.0 m 位置發(fā)生離層現(xiàn)象,離層量分別為3.85 mm、2.26 mm 及1.18 mm??傮w來(lái)看,離層量較小,頂板支護(hù)效果良好。
圖1 頂板離層監(jiān)測(cè)曲線
(2)巷幫離層監(jiān)測(cè)
在測(cè)站1 上幫及測(cè)站2 下幫布置巷幫離層監(jiān)測(cè)點(diǎn),為了準(zhǔn)確掌握圍巖離層位置,深基點(diǎn)位置分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m 及2.5 m。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線如圖2 所示。
如圖2 所示,在工作面回采初期,監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面較遠(yuǎn),巷幫圍巖并未發(fā)生離層現(xiàn)象。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面80 m 范圍以內(nèi)時(shí),巷幫圍巖逐漸出現(xiàn)離層現(xiàn)象,在距離工作面60 m 范圍內(nèi)時(shí),巷幫圍巖離層量變化較為明顯。如圖2(a)所示,測(cè)站1 上幫圍巖離層發(fā)生在1.0~1.5 m 處,離層量分別為0.96 mm 及2.92 mm。如圖2(b),測(cè)站2 下幫圍巖離層發(fā)生在2.0~2.5 m 處,離層量分別為0.98 mm及0.75 mm。整體來(lái)看,巷幫圍巖離層量較小,并無(wú)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),支護(hù)效果良好。
圖2 巷幫離層監(jiān)測(cè)曲線
(3)頂板下沉量及兩幫移近量監(jiān)測(cè)
采用三角布點(diǎn)法對(duì)巷道頂板巖層下沉量及兩幫移近量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),分別在測(cè)站1 及測(cè)站2 頂板1/2 位置布置測(cè)點(diǎn)1,在頂板1/4 位置布置測(cè)點(diǎn)2 及測(cè)點(diǎn)3,同時(shí)在測(cè)站1 及測(cè)站2 巷幫1/2 位置布置測(cè)點(diǎn)A,在頂板1/4 位置布置測(cè)點(diǎn)B 及測(cè)點(diǎn)C。頂板下沉量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線及兩幫移近量監(jiān)測(cè)曲線如圖3。
如圖3 所示,當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面80 m 范圍以外時(shí),巷幫變形量非常小,隨著工作面的推進(jìn),巷道圍巖變形量逐漸增大,當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距工作面30 m以內(nèi)時(shí),巷道圍巖收斂明顯。其中測(cè)站1 頂板下沉量三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大值分別為11.16 mm、27.45 mm及14.37 mm,兩幫移近量三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大值分別為20.40 mm、26.85 mm 及6.35 mm。測(cè)站2 頂板下沉量三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大值分別為10.83 mm、34.68 mm及16.53 mm,兩幫移近量三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大值分別為7.50 mm、28.65 mm 及17.10 mm。
圖3 頂板下沉量及兩幫移近量監(jiān)測(cè)曲線
(4)錨桿軸力
在測(cè)站1 及測(cè)站2 頂板及上幫中線位置布置兩個(gè)錨桿軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn),頂板錨桿監(jiān)測(cè)點(diǎn)記為M1,巷幫位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)記為M2,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線如圖4。
圖4 錨桿軸力監(jiān)測(cè)曲線
如圖4 所示,測(cè)站1 頂板錨桿軸力最大值為35.38 kN,巷幫錨桿軸力最大值為16.41 kN,測(cè)站2頂板錨桿軸力最大值為35.05 kN,巷幫錨桿軸力最大值為15.93 kN。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,工作面推進(jìn)過(guò)程中,錨桿受力不斷增大,頂錨桿受力大于幫錨桿受力,但錨桿受力遠(yuǎn)未達(dá)到錨桿設(shè)計(jì)值50 kN,說(shuō)明并未充分利用錨桿承載力,浪費(fèi)了一定的支護(hù)能力。
根據(jù)前述現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果,綜合考慮相鄰工作面支護(hù)效果,對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行調(diào)整。新支護(hù)方案為:頂板布置6 根Ф22 mm×1800 mm 的螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×900 mm,在頂錨桿間隔位置,布置2 根Ф18 mm×6500 mm 的錨索,間排距為1000 mm×2000 mm。幫錨桿選用Ф22 mm×1600 mm 的螺紋鋼錨桿,每幫布置3 根錨桿,間排距為1000 mm×900 mm。鋪設(shè)50 mm×50 mm 規(guī)格的金屬網(wǎng)。
借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)優(yōu)化后的支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬,巷道變形量如圖5。
圖5 新支護(hù)方案巷道變形量
如圖5 所示,優(yōu)化后的支護(hù)方案條件下,巷道頂?shù)装遄冃瘟孔畲笾禐?8.67 mm,兩幫移近量最大值為41.57 mm。表明優(yōu)化后的支護(hù)方案下,巷幫圍巖變形量較小,新的支護(hù)方案也可以有效約束巷道圍巖變形,能夠滿足礦方的安全生產(chǎn)需求。
在14106 工作面回風(fēng)巷進(jìn)行優(yōu)化支護(hù)試驗(yàn),在距離工作面100 m 及200 m 位置布置測(cè)站對(duì)巷道圍巖變形量及錨桿軸力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6。
如圖6(a)、圖6(b)所示,兩個(gè)測(cè)站監(jiān)測(cè)曲線變化趨勢(shì)基本相似。在測(cè)點(diǎn)距離工作面80 m 以內(nèi)時(shí),巷道圍巖開(kāi)始發(fā)生變形,測(cè)站1 頂?shù)装遄冃瘟孔畲笾禐?5 mm,兩幫移近量最大值為36 mm,離層量最大值為23 mm。測(cè)站2 頂?shù)装遄冃瘟孔畲笾禐?8 mm,兩幫移近量最大值為40 mm,離層量最大值為18 mm?,F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合,與原支護(hù)條件下巷道變形量相比,頂?shù)装遄冃瘟科骄龃?0.41 mm,兩幫移近量平均增大10.25 mm。巷道圍巖變形量雖比原支護(hù)方案略大,但是巷道圍巖并無(wú)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),可以滿足礦上的安全生產(chǎn)需求。
圖6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線
如圖6(c)、圖6(d)所示,測(cè)站1 監(jiān)測(cè)錨桿軸力最大值為46.82 kN,測(cè)站2 監(jiān)測(cè)錨桿軸力最大值為44.52 kN,均小于錨桿的理論設(shè)計(jì)值50 kN,在保證錨桿未發(fā)生屈服的前提下,基本充分發(fā)揮了錨桿的支撐力。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比發(fā)現(xiàn),新支護(hù)方案條件下巷道掘進(jìn)時(shí)間及支護(hù)成本均低于原支護(hù)方案。新支護(hù)方案條件下,巷道掘進(jìn)時(shí)間節(jié)省了18.6%,支護(hù)成本降低了5.3%,雖然巷道圍巖變形量略有增大,但是并不影響巷道圍巖整體的穩(wěn)定性,可以滿足礦方的安全生產(chǎn)需求,效益顯著。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及理論分析發(fā)現(xiàn)14-1104 工作面回采巷道原有支護(hù)方案并未充分發(fā)揮錨桿的承載能力。通過(guò)增大錨桿直徑和縮短錨桿長(zhǎng)度的方法對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行調(diào)整,并在鄰近工作面14106 工作面進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明:新支護(hù)方案充分發(fā)揮了錨桿的支護(hù)能力,而且巷道掘進(jìn)時(shí)間節(jié)省了18.6%,支護(hù)成本降低了5.3%,雖然巷道圍巖變形量略有增大,但是并不影響巷道圍巖整體的穩(wěn)定性,可以滿足礦方的安全生產(chǎn)需求,效益顯著。