田兆川

(山西高河能源有限公司,山西 長治 046000)

隨著煤炭科技的發(fā)展,具有產(chǎn)量高、效率高、回采率高的超長工作面(>300 m)開采技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用。厚煤層超長工作面存在巷道支護(hù)困難以及回采過程中受回采動(dòng)壓影響劇烈等問題,造成超前支承壓力影響范圍更大、影響強(qiáng)度更強(qiáng),容易使巷道發(fā)生嚴(yán)重的災(zāi)害事故。在工作面超前支承壓力影響范圍內(nèi),需采取超前支護(hù)措施確?；夭上锏绹鷰r穩(wěn)定,保證巷道安全使用,為通風(fēng)、行人及運(yùn)輸?shù)葎?chuàng)造良好條件。

對于超前支承壓力影響范圍,許濤[1]基于鉆孔應(yīng)力數(shù)據(jù),分析其隨推采進(jìn)度的變化特征,得到了超前支承壓力變化規(guī)律,確定了準(zhǔn)確的超前支護(hù)距離。樊衛(wèi)閣等[2]采用理論力學(xué)計(jì)算和巷道圍巖收斂觀測的方法,對工作面超前支承壓力進(jìn)行了研究,得出支承壓力的影響范圍。曹仁舉[3]應(yīng)用側(cè)向支承壓力影響范圍的計(jì)算方式,深入分析了回采巷道的超前支護(hù)關(guān)鍵參數(shù)大小及需要加強(qiáng)的支護(hù)范圍。劉晉升[4]通過監(jiān)測巷道圍巖變形量與數(shù)值模擬,對超前支護(hù)效果進(jìn)行了效果檢驗(yàn),提高了巷道穩(wěn)定性。

本文以山西高河煤礦W4307厚煤層超長工作面回采巷道超前支護(hù)為研究背景,選擇膠帶巷為例,采用現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、數(shù)值模擬、理論分析等方法,確定超前支承壓力影響范圍,計(jì)算超前支護(hù)強(qiáng)度,選擇合理超前支護(hù)設(shè)備,為厚煤層超長工作面回采巷道的超前支護(hù)提供參考依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

山西高河煤礦W4307厚煤層超長工作面為西四盤區(qū)工作面,北面為未采區(qū),東面接+450 m水平南翼大巷,西面為礦界,南面為W4308準(zhǔn)備工作面。工作面埋藏深度439.6～454.1 m,平均埋深447 m.切眼長度320 m,可采長度1 316 m,主采3煤層,平均采高6.2 m,煤層傾角平均5°,全煤間夾有一層炭質(zhì)泥巖夾矸,平均0.20 m.直接頂為砂質(zhì)泥巖,平均厚度為3.5 m,老頂為粉砂巖-泥巖,平均厚度為22.5 m.底板為泥巖。膠帶巷荒寬5.3 m,荒高3.65 m,凈斷面18.72 m2.

2 工作面超前支承壓力影響范圍研究

為研究工作面超前支承壓力影響范圍,以W4307厚煤層超長工作面為對象,采用有限差分軟件FLAC3D建立數(shù)值模擬計(jì)算模型進(jìn)行模擬分析。

2.1 數(shù)值模擬模型建立

運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D建立數(shù)值模擬模型,其中工作面長度方向?yàn)閄方向,推進(jìn)方向?yàn)閅方向,埋深為Z方向,建模過程中,煤層賦存情況與巖層結(jié)構(gòu)均按實(shí)際地質(zhì)條件建立。建立的數(shù)值模型尺寸為長×寬×高=100 m×100 m×35 m,模型共包括219 000個(gè)單元,含有231 000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。煤層上方(z方向)共建立巖層厚度22 m,其余巖層(425 m)以垂向載荷的形式施加在模型上邊界,施加載荷為γh=2.4 t/m3×425 m=10.2 MPa.模型的X方向、Y方向邊界限制水平方向的位移與速度,模型底邊界限制水平與垂直方向的位移與速度。模型破壞準(zhǔn)則選擇Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,模型選取的巖石力學(xué)參數(shù)見表1,建立的數(shù)值模擬計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬模型

具體模擬步驟為:①模型建立后,對模型進(jìn)行賦值,并計(jì)算初始化平衡;②掘進(jìn)工作面巷道并進(jìn)行支護(hù),計(jì)算平衡;③進(jìn)行工作面回采,每回采1 m就進(jìn)行計(jì)算平衡,直到工作面超過巷道監(jiān)測斷面,計(jì)算停止。計(jì)算停止后,分析工作面回采不同距離時(shí),工作面前方支承應(yīng)力分布情況。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2為工作面回采不同距離時(shí),工作面前方支承應(yīng)力分布情況。

圖2 工作面前方支承應(yīng)力分布情況(單位:m)

由圖2可以看出:隨著工作面的推進(jìn),工作面前方發(fā)生了應(yīng)力集中顯現(xiàn),應(yīng)力最大處距離煤壁6～7 m,最大應(yīng)力為6.28×107MPa,最大集中系數(shù)為5.62.隨著工作面的推進(jìn),工作面前方的支承應(yīng)力影響范圍也在逐漸增加,當(dāng)工作面回采50 m時(shí),超前支承壓力影響范圍為26.5 m,隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn),超前支承應(yīng)力影響范圍不再增加,說明工作面回采產(chǎn)生的支承應(yīng)力影響范圍為26.5 m,因此工作面兩巷道超前支護(hù)距離應(yīng)大于26.5 m.

3 巷道超前支護(hù)參數(shù)確定

3.1 巷道頂板載荷計(jì)算

假設(shè)巷道頂板所受載荷來自直接頂和基本頂?shù)淖灾豙5],可得:

(1)

式中:q為巷道所受均布載荷,MPa;k為采動(dòng)影響系數(shù),取5.62;H為巷道高度,取3.65 m;ρ1為直接頂容重,取2 700 kg/m3;H1為直接頂砂質(zhì)泥巖厚度,取3.5 m;ρ2為基本頂容重,取2 700 kg/m3;H2為基本頂厚度,取22.5 m;g為重力加速度,取9.8 N/kg;w為巷道寬度,取5.3 m.計(jì)算得:

Qz=2 880 kN/m.

3.2 掘進(jìn)期間錨桿(索)支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算

膠帶巷頂板每排布置7根D22 mm×2 400 mm螺紋錨桿,錨桿排距1 000 mm,錨桿拉拔載荷為190 kN.每排布置2根D22 mm×8 300 mm高強(qiáng)度錨索,錨索排距1 000 mm,頂板錨索拉斷載荷為560 kN.

則,頂板錨桿(索)支護(hù)阻力為:

(2)

式中:n為每排錨桿(索)數(shù)目,分別取7和2;a為頂板錨桿(索)排距,取1 000 mm;F為頂板錨桿拉拔載或錨索拉斷載荷,分別取190 kN和560 kN.

計(jì)算得錨桿提供的支護(hù)阻力為Qg=1 330 kN/m,錨索提供的支護(hù)阻力為Qs=1 120 kN/m.

3.3 巷道超前支護(hù)參數(shù)確定

頂板所受載荷,需要頂板錨桿(索)以及被動(dòng)支護(hù)的聯(lián)合支撐作用共同承載,因此,被動(dòng)支護(hù)所提供的支護(hù)阻力Qb>Qz-Qg-Qs=430 kN/m.

高河煤礦井下主要采用DW-4.5-250/110LX型恒阻單體液壓支柱進(jìn)行超前支護(hù),該型號單體柱額定工作阻力為250 kN.

單體液壓支柱提供的支護(hù)阻力:

(3)

安全系數(shù):

(4)

式中:T為單體液壓支柱額定工作阻力,取250 kN;m為每排單體液壓支柱數(shù)目,分別取1、2、3;a2為單體液壓支柱排距,分別取800 mm、900 mm、1 000 mm、1 100 mm、1 200 mm.

帶入數(shù)值,經(jīng)計(jì)算得出的結(jié)果如表2所示。

表2 單體液壓支護(hù)不同排距下安全系數(shù)

對于超前支護(hù),安全系數(shù)應(yīng)大于1.5,因此每排須布置3棵單體液壓支柱,排距不大于1 100 mm.

4 結(jié) 語

1) 高河煤礦W4307厚煤層超長工作面回采后煤壁前方最大支承應(yīng)力為6.28×107MPa,最大集中系數(shù)為5.62;超前支承壓力影響范圍為26.5 m,因此工作面兩巷道超前支護(hù)距離應(yīng)大于26.5 m.

2) 選用DW-4.5-250/110LX型恒阻單體液壓支柱進(jìn)行超前支護(hù),額定工作阻力為250 kN,每排布置3棵,排距不大于1 100 mm.