趙瑞卿

(山西寧武德盛煤業(yè)有限公司, 山西 忻州 036700)

1 工程概況

德盛煤業(yè)主采2號、5號煤層,煤層平均厚度為6.15 m、15.2 m,屬厚煤層,煤層傾角3～5°,煤層結構簡單,有不穩(wěn)定夾石帶出現(xiàn),整體起伏變化不大,煤層類型屬光亮型。煤層頂板以泥巖和粉砂巖為主;底板以粉砂巖和細砂巖為主。

目前正在掘進20108工作面運輸巷,主要用于201采區(qū)20108工作面回采時的通風、運輸、行人及管路敷設。20108工作面位于礦區(qū)西部一水平二采區(qū),北部為20107工作面,南部為礦界保護煤柱,西部為礦井礦界保護煤柱,東部為201采區(qū)集中運輸下山保護煤柱。20108運輸巷沿2號煤層底板掘進,巷道方位角270°,設計為矩形斷面,凈寬×凈高=5 200 mm×4 600 mm,巷道設計長度為1 350 m.

地質勘探結果顯示,靠近20108運輸巷側存在過去以掘代采或巷柱式采煤法開采區(qū)域,采空區(qū)可能有一定量的瓦斯和二氧化碳等氣體聚集,采空區(qū)有一定量的積水,局部地區(qū)還可能存在冒落風險。

2 圍巖松動圈測試

20108運輸巷為全煤巷,且煤體強度較低,加之側方空巷的影響,巷道掘進后圍巖變形破壞嚴重,部分區(qū)域的錨桿、錨索失效,局部頂板甚至出現(xiàn)冒落的現(xiàn)象。因此,需對巷道支護參數(shù)進行優(yōu)化。

為合理地設計支護方案,先采用地質雷達對巷道圍巖的破壞情況進行探測,分析其圍巖松動圈。頂?shù)装寮皟蓭偷奶綔y剖面如圖1所示。

圍巖松動圈測試結果表明:巷道左幫的破壞松動范圍為2.0～2.6 m,局部區(qū)域松動范圍達到了3～5 m;巷道右?guī)偷钠茐乃蓜臃秶鸀?.7～2.2 m,局部區(qū)域松動范圍達到了5 m左右;巷道頂板的破壞松動范圍為2.0～2.3 m,局部區(qū)域松動范圍達到了5 m左右;巷道底板的破壞松動范圍為1.9～2.7 m,局部區(qū)域松動范圍達到了4～5 m.總體來看,20108運輸巷的圍巖松動破壞范圍較大,在1.7～2.7 m之間,變形較大的區(qū)域可達4～5 m.由于原支護參數(shù)不合理,無法有效控制圍巖的變形破壞,導致全煤巷道頂板下沉及底鼓破壞嚴重。

3 全煤巷破碎圍巖支護設計

3.1 支護方案設計

根據(jù)20108運輸巷圍巖松動圈測試及現(xiàn)場實際條件,提出“全斷面錨索噴初次支護+全斷面錨注”的聯(lián)合支護方案,聯(lián)合支護結構如圖2所示。

圖2 聯(lián)合支護結構圖

初次支護主要參數(shù)如下:頂板錨索長度8 400 mm,直徑22 mm,間距1 200 mm,排距1 000 mm;幫部施工D22 mm×3 500 mm的錨桿,間距900 mm,排距1 000 mm;幫錨索與頂錨索規(guī)格相同,排距為1 000 mm.

二次錨索、注漿加固參數(shù)如下:全斷面施工預應力錨索,規(guī)格同上,排距為2 000 mm,與初次錨索支護間隔布置;淺孔注漿,漿液的水灰質量比為0.8～1.0,采用直徑26 mm的注漿管,管長1 000 mm,鉆孔深度為2 500 mm,在兩幫各施工3組注漿淺孔,排距為2 000 mm,采用低壓(≤2 MPa)進行注漿;深孔注漿,注漿管規(guī)格與淺孔相同,孔深為5 000 mm,漿液的水灰質量比為0.5～0.6,采用高壓(3～5 MPa)進行注漿。

底板錨注加固參數(shù)如下:底板采用自鉆中空注漿錨桿進行加固,桿體直徑25 mm,中空孔徑10 mm,長度2 000 mm,間排距均為1 000 mm,其注漿材料參數(shù)與注漿壓力與低壓淺孔注漿相同。

3.2 支護方案模擬分析

1) 建立模型。為分析不同支護方案對圍壓的控制效果,根據(jù)20108運輸巷實際賦存條件,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型,模型長×寬×高=50 m×50 m×50 m,模型頂部施加垂直應力模擬覆巖壓力,模型四周及底部施加位移約束。模擬中的巖體破壞準則為摩爾-庫倫準則,煤巖體參數(shù)見表1,支護構件參數(shù)見表2,支護結構模型如圖3所示。

表2 支護構件物理力學參數(shù)

圖3 支護結構模型

2) 模擬方案及模擬結果。為確定合理的支護參數(shù),本次模擬共設置6組支護方案進行對比分析,分別如下:①方案1:巷道開挖后不進行任何支護;②方案2:巷道采用錨索及噴混凝土支護;③方案3:錨索及噴混凝土初次支護+二次錨索支護;④方案4:錨索及噴混凝土初次支護+二次錨索支護+淺孔低壓注漿加固;⑤方案5:錨索及噴混凝土初次支護+二次錨索支護+淺孔低壓注漿加固+底板錨注加固;⑥方案6:錨索及噴混凝土初次支護+二次錨索支護+淺孔低壓注漿加固+底板錨注加固+深孔高壓注漿加固。

各方案下巷道塑性破壞區(qū)深度及圍巖變形量具體數(shù)據(jù)見表3.

表3 不同方案下巷道圍巖塑性區(qū)范圍及位移情況

由模擬結果可知,隨著巷道支護強度的提高,圍巖的塑性破壞深度及位移變形量逐漸減小。巷道無支護時(方案1),巷道頂板下沉量達到了477.61 mm,巷幫變形量達到了688.23 mm,圍巖的塑性破壞深度平均超過了3 m;采用“錨噴+預應力錨索二次支護”(方案3)后,巷道圍巖變形量及塑性破壞范圍均有所降低,其中,頂板下沉量降低至277.66 mm,巷幫變形量降低至492.61 mm,圍巖平均塑性破壞深度降低至2.53 m;而采用“錨噴+二次錨索支護+淺孔低壓注漿加固+底板錨注加固+深孔高壓注漿加固”的聯(lián)合支護后,巷道圍巖變形量及塑性破壞深度大幅度降低,其中頂板下沉量降低至60.46 mm,底鼓量降低至39.27 mm,巷幫變形量降低至69.25 mm,圍巖平均塑性破壞深度僅為0.62 mm.說明,采用全斷面錨注加固方案后,可有效控制軟弱全煤巷道維護困難的問題,因此確定采用方案6對20108運輸巷進行加固支護。

4 現(xiàn)場工業(yè)試驗

為驗證全斷面錨注加固方案的適用性,在20108運輸巷進行了工業(yè)性試驗,并布置了3個監(jiān)測點,對圍巖頂板及兩幫的變形情況進行實時監(jiān)測,監(jiān)測時長共計100 d,監(jiān)測結果如圖4所示。

圖4 圍巖變形監(jiān)測結果

由圖4可知,巷道的變形主要以巷幫為主,頂板的變形幅度較小,其中,頂板的變形基本在70 d后逐漸趨于穩(wěn)定,累計變形量為15 mm;巷幫的變形在90 d后逐漸趨于穩(wěn)定,累計變形量為55 mm.另外,在生產過程中,底板未出現(xiàn)大量底鼓的現(xiàn)象,整體穩(wěn)定性較高,保證了礦井的安全高效生產。

5 結 語

1) 對20108運輸巷進行了圍巖松動圈測試,結果表明:圍巖松動破壞范圍較大,基本在1.7～2.7 m,變形較大的區(qū)域達到了4～5 m,變形破壞較為嚴重。

2) 通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對比分析了不同支護方案下的巷道圍巖塑性破壞及變形情況,確定出合理的支護方案為“錨噴+二次錨索支護+淺孔低壓注漿加固+底板錨注加固+深孔高壓注漿加固”。

3) 現(xiàn)場工業(yè)試驗結果表明,采用全斷面錨注加固方案后,巷道頂板累計變形量為15 mm,巷幫累計變形量為55 mm,整體變形量小,巷道穩(wěn)定性較好。