許建平

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 煤炭生產(chǎn)管理部,山西 霍州 031400)

在煤礦的地下開(kāi)采中,巷道起到了運(yùn)輸、通風(fēng)、行人、管道鋪設(shè)等作用,如何保證巷道通暢和圍巖穩(wěn)定,就成了保障礦井高效安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[1-4]。煤層開(kāi)采后會(huì)形成地下采空區(qū),破壞了地下空間的完整性和平衡性,圍巖范圍內(nèi)應(yīng)力重分布[5]。隨著工作面的推進(jìn),上覆巖層結(jié)構(gòu)處于破斷、扭轉(zhuǎn)下沉、失穩(wěn)及動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。由于出現(xiàn)應(yīng)力集中,此時(shí)圍巖內(nèi)部應(yīng)力相對(duì)于原有圍巖應(yīng)力有所增大,即超前支承應(yīng)力區(qū)[6-7]。在工作面超前范圍內(nèi),回采巷道受到超前支承壓力影響容易發(fā)生變形、失穩(wěn)、破壞等事故,嚴(yán)重影響工作面的正常生產(chǎn)和工人的人身安全,因此必須對(duì)回采巷道超前支承壓力區(qū)內(nèi)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),即回采巷道的超前支護(hù)[8-9]。

目前,我國(guó)煤礦較為常見(jiàn)的超前支護(hù)形式通常是將單體式液壓支柱與鉸接頂板梁相結(jié)合,但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在頂板反復(fù)作用加劇頂板破碎和裂化,導(dǎo)致頂板破裂、冒頂,同時(shí)存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,作業(yè)空間小,回撤風(fēng)險(xiǎn)高等不足。姚強(qiáng)嶺等[10]提出長(zhǎng)壁采煤主動(dòng)式超前支護(hù)關(guān)鍵技術(shù),并在新汶礦業(yè)集團(tuán)、棗莊礦業(yè)集團(tuán)、山西焦煤集團(tuán)等多個(gè)礦區(qū)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,在不同埋深的各種厚度煤層都成功得到應(yīng)用;李立華[11]提出注漿錨索式超前支護(hù)技術(shù),該超前支護(hù)形式為高強(qiáng)度錨索配合注漿進(jìn)行超前支護(hù),并在新安煤礦成功進(jìn)行應(yīng)用;蓋增雪[12]在呂家坨礦業(yè)5383工作面通過(guò)中空錨索向圍巖中注入漿液,在提高圍巖可錨性的情況下充分發(fā)揮錨索主動(dòng)支護(hù)作用,保障回采巷道超前段穩(wěn)定;曹世利[13]在高莊煤業(yè)有限公司3上705材料巷采用錨索代替單體支柱進(jìn)行超前支護(hù),不僅能夠有效保障巷道回采期間穩(wěn)定,同時(shí)改善了工人作業(yè)環(huán)境并減少了支護(hù)成本。

本文以三交河煤礦B2-516工作面正巷為工程背景,優(yōu)化了超前支護(hù)方案,采用注漿錨索代替部分單體支柱,開(kāi)展了煤巖力學(xué)參數(shù)測(cè)試、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),有效控制了破碎頂板下超前巷道圍壓變形,降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,增加了作業(yè)空間為類(lèi)似工況下回采巷道超前支護(hù)提供了借鑒。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

三交河煤礦B2-516工作面主要開(kāi)采2#煤,煤層傾角3°～5°,布置如圖1所示。

B2-516正巷全長(zhǎng)814 m,凈斷面形狀為矩形,高2.7 m,寬4.6 m。巷道上方為3.8 m厚的泥巖直接頂,頂板內(nèi)節(jié)理較多,破碎程度大,完整性差。直接底為泥巖、2-2煤和砂質(zhì)泥巖組成。B2-516正巷頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1所示。

圖1 B2-516工作面布置圖Fig.1 Layout of B2-516 working face

表1 工作面正巷上覆巖層柱狀圖Table 1 Histogram of overlying strata in main roadway of working face

1.2 原支護(hù)方案

原超前段支護(hù)方案如圖2所示。B2-516正巷頂板支護(hù)采用錨網(wǎng)、錨桿、錨索、錨梁聯(lián)合支護(hù)方式,錨桿選用Φ18 mm×2 000 mm的高強(qiáng)錨桿,間排距1 000 mm×1 200 mm,肩角錨桿距幫300 mm;頂錨索選用Φ21.6 mm×6 200 mm的鋼絞線,“二二”布置,間排距2 000 mm×2 400 mm,兩側(cè)錨索距幫1 200 mm;幫部采用錨網(wǎng)梁支護(hù),錨桿選用Φ18 mm×2 000 mm的高強(qiáng)錨桿,“三三”布置,間排距1 000 mm×1 200 mm,第一根幫錨桿距頂板300 mm。

B2-516正巷超前30 m范圍內(nèi)采用DW32(28)-250/110型單體支柱配合HDC-4200型π梁“一梁兩柱”進(jìn)行支護(hù),排距0.9 m。

(a) 巷道支護(hù)切面圖

(b) 巷道超前段支護(hù)布置圖

1.3 煤巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試

通過(guò)SC-200型自動(dòng)取芯機(jī)、SCQ-1A型自動(dòng)切石機(jī)、SCM-200型雙端面磨平機(jī)將煤巖塊加工成標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣。試樣尺寸分別為Φ50 mm×100 mm、Φ50 mm×50 mm、Φ50 mm×25 mm。利用YAD-2000萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行煤巖體的力學(xué)參數(shù)測(cè)試,如圖3所示。該試驗(yàn)機(jī)可進(jìn)行巖樣的抗壓、抗拉、抗剪試驗(yàn),從而獲得圍巖物理力學(xué)參數(shù),為后續(xù)數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù),如表2所示。

圖3 單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試示意圖Fig.3 Uniaxial compressive strength test

表2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)表Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock

2 數(shù)值模擬

基于室內(nèi)試驗(yàn)得出的煤巖數(shù)據(jù),在原方案的基礎(chǔ)上采用注漿錨索代替部分單體支柱,設(shè)計(jì)3種不同排距注漿錨索的優(yōu)化方案與原方案對(duì)比。

2.1 建立模型

采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC3D建立模型。模型尺寸為X×Y×Z=70 m×30 m×30 m,煤層傾角4°,為便于運(yùn)算簡(jiǎn)化為水平煤層。選用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,固定模型下邊界,限制模型四周水平位移,模型示意圖如圖4所示[14-15]。

圖4 數(shù)值模型Fig.4 Numerical model

2.2 模擬方案

基于現(xiàn)場(chǎng)圍巖地質(zhì)情況,擬定3種不同排距的注漿錨索進(jìn)行回采巷道超前支護(hù)區(qū)模擬的方案,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件,注漿錨索選用SKZ22-1/1 860 mm×7 200 mm、錨索長(zhǎng)度7.2 m、錨索直徑22 mm、錨索托板300 mm×300 mm×12 mm,以及配套鎖具,其他參數(shù)保持不變。具體方案參數(shù)見(jiàn)表3。分別對(duì)比不同方案下,回采巷道各超前距離時(shí)巷道垂直位移、水平位移、垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力[16-17]。

表3 注漿錨索代替單體支柱優(yōu)化支護(hù)模擬方案Table 3 Optimized support simulation schemes by replacing mono-pillars by grouting anchors

2.3 模擬結(jié)果分析

1)垂直位移。各方案巷道垂直方向變形情況如圖所示。由圖5可知,原支護(hù)方案下,巷道頂板位移為49.26 mm,底板位移為9.84 mm。各方案頂板最大變形量分別為53.56 mm、61.65 mm、71.89 mm;底板最大變形量為10.08 mm、10.93 mm、12.01 mm。分析得,隨著錨桿索排距的增加,巷道頂?shù)装宓淖冃瘟恳苍谠黾?。而且由于巷道基本底K8中砂巖,強(qiáng)度較高,頂板內(nèi)部節(jié)理、斷層較多,頂板破碎,因此相較于底板來(lái)說(shuō),頂板位移變化較大。

圖5 垂直位移云圖Fig.5 Vertical displacement nephogram

2)水平位移。各方案巷道水平方向變形情況如圖所示。由圖6可知,原支護(hù)方案下巷道左幫最大變形量為28.94 mm,右?guī)妥畲笞冃瘟繛?1.28 mm。各方案左幫最大變形量分別為31.12 mm、35.40 mm、41.69 mm;右?guī)妥畲笞冃瘟糠謩e為37.69 mm、44.47 mm、53.64 mm。分析可知,隨著注漿錨索排距的增加,巷道幫部變形量也在增加。由于巷道周?chē)貞?yīng)力平衡不均勻,巷道幫部變形不對(duì)稱(chēng),右?guī)妥冃未笥谧髱汀?/p>

3)垂直應(yīng)力。各巷道周?chē)鷰r層中垂直應(yīng)力分布情況如圖7所示。無(wú)支護(hù)情況下,垂直方向最大應(yīng)力為9.08 MPa,各方案垂直方向最大應(yīng)力分別為9.92 MPa、11.18 MPa、12.92 MPa。分析可得,相較于原支護(hù)情況,3種方案能大幅度降低頂板底板應(yīng)力,隨著注漿錨索排距增大,垂直應(yīng)力也有一定增大。

圖6 水平位移云圖Fig.6 Horizontal displacement nephogram

圖7 垂直應(yīng)力云圖Fig.7 Vertical stress nephogram

4)水平應(yīng)力。各巷道周?chē)鷰r層中水平應(yīng)力分布情況如圖8所示。原支護(hù)方案下,巷道周?chē)椒较蜃畲髴?yīng)力為1.068 MPa,各方案水平方向最大應(yīng)力分別為1.078 MPa、1.087 MPa、1.087 MPa。分析可得,隨注漿錨索排距增加,水平應(yīng)力逐漸增大,但增加幅度較小,說(shuō)明在兩幫錨桿間排距參數(shù)不變的情況下,增加注漿錨索對(duì)水平方向應(yīng)力影響較小。

圖8 水平應(yīng)力云圖Fig.8 Horizontal stress nephogram

2.4 支護(hù)方案選取

各支護(hù)方案的圍巖變形情況,如圖9所示。從圖可看出,各方案對(duì)比下,方案1與方案2變形量相差較小,方案3圍巖變形量增加較大,不利于維持巷道穩(wěn)定;方案1單體支柱間距小,用料多,并不能有效地降低支護(hù)成本。綜合考慮,確定方案2為最優(yōu)方案,既可以保證巷道的安全性,又可以減少支護(hù)成本,加快掘進(jìn)速度。優(yōu)化后的支護(hù)方案如圖10所示,將超前30 m范圍內(nèi)原有的單體液壓支柱排距由0.9 m擴(kuò)寬到2.4 m,共減少25排單體立柱,顯著減少單體立柱數(shù)量,降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,增大作業(yè)空間。

(a) 圍巖位移情況

(b) 圍巖應(yīng)力情況

(a) 巷道支護(hù)切面圖

(b) 巷道超前段支護(hù)布置圖

2.5 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性測(cè)試

在B2-516正巷超前區(qū)域30 m范圍內(nèi)開(kāi)展工業(yè)性試驗(yàn)。由圖15可知,在監(jiān)測(cè)過(guò)程中,巷道頂?shù)装搴蛶筒课灰屏糠謩e為30 mm、50 mm、50 mm、30 mm。巷道兩幫2～10 d有較小幅度變形,巷道頂板位移監(jiān)測(cè)在4～10 d有小幅度增加,隨后趨于穩(wěn)定。總體監(jiān)測(cè)過(guò)程中巷道圍巖變形量較小,圍巖控制效果良好,優(yōu)化后的方案可以很好地保證巷道安全。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig.11 Field test

3 結(jié)論

本文采用注漿錨索代替部分單體立柱進(jìn)行超前支護(hù),開(kāi)展了室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬,并在三交河煤礦B2-516正巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),主要結(jié)論如下。

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取回的煤巖樣品開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn),確定煤巖抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及彈性模量、內(nèi)摩擦角、黏聚力等參數(shù)。

2)通過(guò)FLAC3D建立數(shù)值模型,根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)置煤巖層力學(xué)參數(shù)、初始地應(yīng)力、邊界條件等,模擬對(duì)比了巷道原永久支護(hù)和注漿錨索超前支護(hù)的效果。

3)在B2-516正巷開(kāi)展了注漿錨索主動(dòng)式超前支護(hù)試驗(yàn)和礦壓監(jiān)測(cè)。選用注漿錨索SKZ22-1/1 860 mm×7 200 mm、錨索長(zhǎng)度7.2 m、錨索直徑22 mm、錨索托板300 mm×300 mm×12 mm和配套鎖具,以及配套ZQB-25/5氣動(dòng)注漿泵、10 mm液壓膠管、普通硅酸鹽水泥、注漿添加劑等。為加強(qiáng)安全保障,超前30 m范圍內(nèi)采用DW32(28)-250/110型單體支柱,配合HDC-4200型π梁進(jìn)行支護(hù),排距由0.9 m增加到2.4 m,有效減少了單體柱數(shù)量,降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,增大作業(yè)空間。巷道監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:B2-516正巷整體位移變化量較小,巷道位移總體趨于穩(wěn)定,錨桿、錨索受力總體趨于穩(wěn)定。