王鵬宇
(山西潞安礦業(yè)(集團(tuán)) 有限責(zé)任公司 古城煤礦,山西 長治 046000)
近年來,伴隨煤炭資源高強(qiáng)度大規(guī)模開采,引起的支護(hù)問題也隨之顯現(xiàn)[1-4],尤其對(duì)于動(dòng)壓巷道,其支護(hù)難度愈加增大[5-7]。對(duì)于大跨度受動(dòng)壓影響的巷道圍巖控制技術(shù),國內(nèi)學(xué)者做了大量的研究,李沖等[8]針對(duì)大跨度切眼,提出“雙微拱斷面”為主體,配合錨網(wǎng)索,加之單體液壓支柱,形成了大跨度巷道減跨有效的控制技術(shù);牛少卿等[9]以煤巷層狀特征頂板作為研究對(duì)象,分析了層狀結(jié)構(gòu)頂板特征,表明其易發(fā)生剪切破壞并給出破壞機(jī)理;李登屹[10]以大跨度動(dòng)壓巷道為研究目標(biāo),分析其特殊的變形、破壞特征;劉奎[11]針對(duì)大跨度切眼巷道,由于其頂板下沉量大、深部離層嚴(yán)重等礦壓顯現(xiàn)的存在,分析其維護(hù)中存在的特點(diǎn),針對(duì)其特性給出相應(yīng)的技術(shù)。本文主要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際,針對(duì)古城煤礦北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷,利用數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等手段,分析了在巷道跨度不同以及側(cè)壓系數(shù)的不斷增加的條件下,巷道的變形、塑性破壞面積以及應(yīng)力變化的規(guī)律,結(jié)合其規(guī)律通過大跨度巷道類型劃分,提出適用于大跨度巷道的高強(qiáng)經(jīng)濟(jì)支護(hù)原理,基于此給出試驗(yàn)巷道的優(yōu)化支護(hù)方案,進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用,分析實(shí)測規(guī)律。
古城煤礦位于山西省長治市屯留區(qū),以3 號(hào)煤為主采煤層,平均6.05 m,煤層傾角7°,煤層頂板為砂巖、泥巖,底板與頂板一致。北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷布置如圖1 所示。受到N3301 工作面回采動(dòng)壓影響,北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷為矩形斷面,掘?qū)? 300 mm,掘高4 950 mm,整體支護(hù)方式采用錨網(wǎng)+噴漿的形式。頂板支護(hù)錨桿直徑為22 mm,長度為2 400 mm,間距800 mm,排距1 000 mm;幫部錨桿間排距725 mm×1 000 mm;錨索直徑22 mm,長度8 300 mm,4-5-4 布置方式,間排距為1 200 mm×1 000 mm,除肩角、幫角外斜15°,剩余垂直安裝。
圖1 北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷布置示意Fig.1 Location of north three panel auxiliary transport roadway
大跨度巷道圍巖應(yīng)力與變形特征和巷道的跨度以及采動(dòng)應(yīng)力密切相關(guān),因此需對(duì)不同跨度、不同側(cè)壓系數(shù)條件下,巷道應(yīng)力與變形特征進(jìn)行分析。
根據(jù)古城煤礦工程地質(zhì)條件,采用FLAC3D 有限元模擬,考慮邊界影響效應(yīng),模型尺寸為45 m×50 m×82 m,模型共有24 000 個(gè)單元,如圖2 所示。模型為摩爾庫倫,沿頂掘巷,支護(hù)方式為錨桿(索) 支護(hù),上覆巖層等效面力大小為18.75 MPa。巷道埋深500 m,側(cè)壓系數(shù)λ 分別取0.5、1.0、1.5、2.0,在原支護(hù)基礎(chǔ)上,研究巷道跨度Bhd為4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10 m 時(shí),其塑性區(qū)、第一主應(yīng)力、圍巖變形規(guī)律。
圖2 數(shù)值模擬模型圖Fig.2 Numerical simulation model
圖3 為隨著巷道的跨度增加,λ 的增大,巷道圍巖礦壓變化曲線。模擬結(jié)果表明,巷道圍巖塑性區(qū)隨跨度、λ 增大而變大,特別是頂板及兩肩角部位塑性區(qū)發(fā)育范圍變化較大,其余基本不發(fā)生變化;第一主應(yīng)力隨巷道跨度、λ 增大均勻增大,第一主應(yīng)力集中區(qū)域不斷增大,頂板的集中程度最大;巷道變形隨跨度和λ 增大不斷變大,兩幫的變化幅度遠(yuǎn)不及頂板。
根據(jù)巷道跨度不同、λ 不同,巷道圍巖礦壓分布規(guī)律和對(duì)應(yīng)的支護(hù)要求,給出大跨度巷道的類型。以古城煤礦工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ),當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ≤1 時(shí),將巷道跨度大于或等于5.5 m 的巷道稱為大跨度巷道;當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ>1 時(shí),將巷道跨度大于或等于5 m 的巷道稱為大跨度巷道。巷道分類見表1。
表1 巷道類型劃分Table 1 Roadway type division
根據(jù)古城北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷具體條件,按照大跨度巷道高強(qiáng)度經(jīng)濟(jì)支護(hù)原則,在實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定的前提下,支護(hù)材料使用最少,剛好滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度需要。
圖4 為北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷優(yōu)化后的支護(hù)方案。錨桿采用MSGLW500/φ22 mm×2 400 mm,短錨索采用φ22 mm×5 300 mm,每排3+4 布置,3 為短錨索個(gè)數(shù),4 為錨桿個(gè)數(shù),間排距為800 mm×1 000 mm,除肩角、幫角以及底角錨桿外斜15°,其余垂直打設(shè)。長錨索采用φ22 mm×8 300 mm,2-3-2 布置,間排距為2 400 mm×1 000 mm。
圖4 北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷支護(hù)優(yōu)化方案Fig.4 Support optimization scheme of north three panel auxiliary transport roadway
結(jié)合大跨度巷道高強(qiáng)度支護(hù)方案,將新方案應(yīng)用在輔運(yùn)大巷,通過對(duì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析,北三盤區(qū)輔運(yùn)大巷支護(hù)效果較好,主要變形發(fā)生在5 ~20 d,優(yōu)化支護(hù)方案取得顯著成效(圖5)。
圖5 圍巖變形曲線Fig.5 Deformation curve of surrounding rock
(1) 根據(jù)巷道跨度不同、λ 不同,巷道圍巖礦壓分布規(guī)律和對(duì)應(yīng)的支護(hù)需要,劃分出大跨度巷道的類型。
(2) 提出大跨度巷道高強(qiáng)度支護(hù)與控制技術(shù),并給出優(yōu)化新方案,進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),巷道變形小,控制效果顯著。