王東陽(yáng)

(潞安化工集團(tuán)潞寧煤業(yè)公司,山西 寧武 036706)

煤炭是我國(guó)能源的主要來(lái)源,厚煤層的產(chǎn)量約占中國(guó)每年煤炭總產(chǎn)量的50%[1]。因此,開(kāi)發(fā)厚煤層資源,特別是超厚層開(kāi)采,對(duì)中國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。由于超厚煤層的高強(qiáng)度開(kāi)采,對(duì)主巷道的斷面面積要求較大,斷面面積大不僅可以增加煤炭產(chǎn)量﹐而且可以顯著提高巷道推進(jìn)速度[2-3]。本文以山西焦煤霍州煤電龐龐塔煤礦5-1082軌道巷的變形破壞特征為工程背景,通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬確定了“注漿+U型棚+錨桿索+菱形金屬網(wǎng)”支護(hù)技術(shù),并通過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證了該支護(hù)技術(shù)的可行性,該研究結(jié)果可為類(lèi)似工程地質(zhì)條件下厚煤層大斷面巷道支護(hù)技術(shù)提供借鑒。

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電龐龐塔煤礦目前主要開(kāi)采5號(hào)煤層,煤層總厚度為5.8 m,節(jié)理發(fā)育,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,一般含一層夾矸(0.3～0.7 m),厚度變化不大,屬較穩(wěn)定煤層。5-1082軌道巷為矩形斷面,寬5.0 m,高4.8 m,最大埋深約350 m.巷道直接頂為砂質(zhì)泥巖,老頂為泥巖,直接底為泥巖,老底為細(xì)粒砂巖,巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 巖層柱狀圖

2 巷道原支護(hù)方案和變形破壞特征

2.1 巷道原支護(hù)方案

1) 頂板支護(hù)。頂板采用D22 mm×2 700 mm高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù),錨桿間排距設(shè)計(jì)為900 mm×900 mm,兩側(cè)錨桿打設(shè)時(shí)與垂直方向呈20°,其余錨桿與頂板相互垂直,錨桿安裝時(shí)采用BHW280-4.5×4 800 mm的鋼帶托板。

頂板采用D17.8 mm×10 000 mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),錨索的錨桿間排距設(shè)計(jì)為1 500 mm×1 800 mm,頂板每排共打設(shè)2根錨索,兩側(cè)錨索距離巷道兩幫之間的距離為1 750 mm,錨索打設(shè)時(shí)需使錨索與巷道頂板相互垂直。

2) 兩幫支護(hù)。巷道兩幫采用D22 mm×2 700 mm高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿,錨桿間排距設(shè)計(jì)為900 mm×900 mm,錨桿打設(shè)時(shí)需使錨桿與幫部相互垂直,幫部錨桿的上部距頂板為700 mm,下部距底板為700 mm,巷道左、右?guī)吞庡^桿均打設(shè)4根。

網(wǎng)片:采用金屬網(wǎng)護(hù)表,網(wǎng)片為網(wǎng)格50 mm×50 mm的10號(hào)鉛絲編織,規(guī)格3.3 m×1.2 m,采用雙股16號(hào)鐵絲孔孔相連捆扎一道,扭結(jié)不少于3圈,聯(lián)網(wǎng)間距200 mm;巷道頂板每隔100 m安裝一片同規(guī)格的塑料網(wǎng)替換原金屬網(wǎng)。巷道聯(lián)合支護(hù)方案如圖2所示。

圖2 巷道聯(lián)合支護(hù)方案圖(單位:mm)

2.2 變形破壞機(jī)理

5-1082軌道巷在開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形和破壞,并伴有頂板漏水、片幫、錨桿和錨索斷裂等現(xiàn)象。巷道頂板最大下沉量可達(dá)130 mm,巷道右?guī)妥畲笠平窟_(dá)到300 mm.

為探測(cè)巷道頂板分離情況,通過(guò)鉆孔(井)電測(cè)井法,測(cè)得距離巷道頂板1.9 m的位置出現(xiàn)了裂縫。在距離巷道頂板3.8 m出現(xiàn)了裂隙和裂縫,在距離巷道頂板7.5 m的距離,二者明顯減少,在距離巷道頂板8.2 m可以觀(guān)察到較小的裂隙和裂縫。通過(guò)對(duì)巷道頂板的破壞程度進(jìn)行驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)在0～6.0 m處頂板破壞比較嚴(yán)重,局部范圍出現(xiàn)頂板離層。但是,在6.0～10.0 m處,巷道頂板破壞程度較低,頂板相對(duì)完整。

5-1082軌道巷斷面形狀為矩形狀,斷面尺寸較大,在巷道的掘進(jìn)過(guò)程中導(dǎo)致巷道圍巖的肩角位置應(yīng)力發(fā)生應(yīng)力集中,在回采時(shí)結(jié)構(gòu)的變化會(huì)使接近平衡狀態(tài)的應(yīng)力再次發(fā)生改變,巷道圍巖承擔(dān)了較大的應(yīng)力水平,從而發(fā)生變形破壞。支護(hù)方式采用錨桿索支護(hù)技術(shù),而錨桿索支護(hù)技術(shù)有很多種組合方式,在支護(hù)過(guò)程中需要采用最優(yōu)的支護(hù)方案,才能達(dá)到最理想的圍巖變形控制效果[4-6],5-1082軌道巷支護(hù)技術(shù)在參數(shù)上仍有較大的優(yōu)化改進(jìn)空間。

3 巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 優(yōu)化支護(hù)方案

巷道優(yōu)化支護(hù)方案采用“注漿+U型棚+錨桿索+菱形金屬網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)方案。

在巷道頂板滲漏水區(qū)域、巷道兩幫破壞區(qū)進(jìn)行注漿加固,注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿,其水灰比為0.8,水玻璃的摩爾濃度為50Be’,水玻璃和水泥漿液間的體積比為1∶2;巷道注漿加固完成后,進(jìn)行U型棚的架設(shè),棚距1 200 mm,U型棚采用礦用U36型號(hào)的U型鋼,并根據(jù)巷道的斷面形狀制造出適合的的支護(hù)形狀。

巷道頂板錨桿采用D22 mm×2 400 mm高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿,錨桿的間排距為800 mm×800 mm.錨索采用D17.8 mm×7 800 mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),錨索的錨桿間排距設(shè)計(jì)為1 500 mm×1 600 mm,頂板每排共打設(shè)2根錨索;巷道兩幫采用D22 mm×2 400 mm高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿,錨桿間排距設(shè)計(jì)為900 mm×900 mm.其他支護(hù)參數(shù)同原支護(hù)方案。

網(wǎng)片采用8號(hào)菱形金屬網(wǎng),規(guī)格4 500 mm×1 200 mm,幫網(wǎng)與頂網(wǎng)壓茬200 mm,每隔200 mm采用16號(hào)鐵絲雙絲雙扣連接,幫部網(wǎng)片壓茬100 mm,幫錨桿打設(shè)在網(wǎng)片壓茬處。

3.2 數(shù)值模擬

根據(jù)5-1082軌道巷實(shí)際地質(zhì)條件,采用FLAC3D數(shù)值軟件建立尺寸長(zhǎng)×寬×高=40 m×10 m×40 m的三維模型計(jì)算模型,錨桿索采用軟件內(nèi)置的cable單元進(jìn)行模擬, 托梁及鋼帶采用beam 單元進(jìn)行模擬。四周設(shè)置為水平約束力邊界,底面設(shè)置為固定約束邊界,頂部設(shè)置為自由邊界[7-8]。各巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。計(jì)算所得巷道圍巖位移分布云圖如圖3所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

圖3 巷道圍巖位移云圖

由圖3可以看出,巷道在原支護(hù)方案下,頂板最大下沉量、最大底鼓量分別為70 mm、156 mm;優(yōu)化支護(hù)技術(shù)方案下,頂板最大下沉量、最大底鼓量分別為44 mm、70 mm;與原支護(hù)方案相比頂板最大下沉量、最大底鼓量分別降低了37%、55%;巷道在原支護(hù)方案下,兩幫最大移近量為263 mm,優(yōu)化支護(hù)技術(shù)方案下,兩幫最大移近量為51 mm;與原支護(hù)方案相比兩幫最大移近量降低了81%,巷道圍巖變形控制效果顯著。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

在巷道掘進(jìn)過(guò)程中,采用“十字布點(diǎn)法”進(jìn)行巷道圍巖變形的監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)時(shí)間為90 d,在監(jiān)測(cè)過(guò)程中使用紅色油漆在每個(gè)測(cè)站的巷道頂?shù)撞考皟蓭臀恢玫腻^索托盤(pán)處用醒目標(biāo)記作為測(cè)點(diǎn),巷道變形及變形速率曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 巷道圍巖監(jiān)測(cè)變形曲線(xiàn)

由圖4可以看出,在巷道開(kāi)挖后的前50 d,巷道圍巖變形幅度較大,隨時(shí)間的增加圍巖變形逐漸趨于緩慢,50 d后,巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定,不再發(fā)生變形,巷道頂板最大下沉量、兩幫最大移近量分別為60 mm、51 mm,較原支護(hù)方案分別減少了61%、78%,表明優(yōu)化支護(hù)方案對(duì)大斷面厚煤層巷道圍巖的控制效果較好。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,發(fā)現(xiàn)在原支護(hù)方案下,5-1082軌道巷變形破壞嚴(yán)重﹐出現(xiàn)了頂板漏水和片幫現(xiàn)象,巷道頂板最大下沉量可達(dá)1 200 mm,巷道右?guī)妥畲笠平窟_(dá)到1 300 mm.

2) 根據(jù)巷道的變形破壞機(jī)理,提出了“注漿+U型棚+錨桿索+菱形金屬網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù),并通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了技術(shù)參數(shù)的合理性。

3) 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明,與原支護(hù)方案相比,巷道頂板最大下沉量、最大底鼓量分別降低了37%、55%,兩幫最大移近量降低了81%,巷道的變形破壞得到有效控制。