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        松散破碎全煤準(zhǔn)備巷道圍巖控制技術(shù)研究

        2023-10-19 10:34:18
        山東煤炭科技 2023年9期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖變形

        孟 超

        (霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊煤礦,山西 霍州 031412)

        1 工程概況

        山西霍州煤電集團(tuán)騰暉煤業(yè)現(xiàn)階段回采2 號(hào)煤層位于山西組下段上部,煤層總厚5.06~5.18 m。三采區(qū)回風(fēng)巷布置于2 號(hào)煤層三采區(qū),掘進(jìn)期間需按順序依次穿過(guò)原海圣、豐鑫源、老大灣、老小灣、小灣溝等5 座小煤窯采掘活動(dòng)區(qū)域的4 采空區(qū):CK2-11 采空區(qū)(采空面積206 834 m2)、原海圣主要積水巷道、CK2-8 采空區(qū)(采空面積55 074 m2)、CK2-7(采空面積409 206 m2)。三采區(qū)回風(fēng)巷服務(wù)三采區(qū)回風(fēng),設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2173 m,正常掘進(jìn)期間沿煤層頂板掘進(jìn),過(guò)采空區(qū)、空巷特殊區(qū)域以6°上山施工。巷道沿煤層底板布置,頂?shù)装鍘r層詳情見(jiàn)表1。

        表1 三采區(qū)回風(fēng)巷頂?shù)装鍘r層詳情

        2 三采區(qū)回風(fēng)巷支護(hù)及變形現(xiàn)狀

        三采區(qū)回風(fēng)巷采用錨網(wǎng)噴支護(hù),支護(hù)詳情見(jiàn)圖1(a)。巷道開(kāi)挖凈寬4.8 m,直墻高度1.2 m,半圓拱高2.4 m。

        三采區(qū)回風(fēng)巷自2021 年8 月掘進(jìn)初期,采用十字交叉法監(jiān)測(cè)圍巖表面變形情況。1#測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)工作從8 月17 日開(kāi)始,巷道開(kāi)挖支護(hù)完成后表面變形位移量變化曲線如圖1(b)所示。巷道開(kāi)挖0~20 d 范圍內(nèi),表面變形量持續(xù)增大,頂?shù)装寮皟蓭拖鄬?duì)移近量已達(dá)到140 mm 以上,巷道表面變形較大,且圍巖無(wú)明顯趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。表明當(dāng)前支護(hù)強(qiáng)度不足,安全狀況欠佳,需采取更為合理有效的支護(hù)工藝及方案。

        3 支護(hù)參數(shù)模擬研究及優(yōu)化

        3.1 建立數(shù)值模型

        為探究不同支護(hù)參數(shù)變化對(duì)于三采區(qū)回風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定性的影響,以該巷道工作面地質(zhì)條件及原支護(hù)方案為基礎(chǔ),借助UDEC 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究[1-2]。模型邊界尺寸寬、高分別為80 m、115 m,模型底面固定,左右邊界設(shè)置水平位移限制條件,模型頂面設(shè)置為地層的等效載荷10 MPa,巖層采用摩爾-庫(kù)倫模型。各地層參數(shù)詳見(jiàn)表2。

        表2 三采區(qū)回風(fēng)巷頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)表

        3.2 錨桿長(zhǎng)度優(yōu)化研究

        為確定最為合理的錨桿支護(hù)參數(shù),采用單一因素法分別進(jìn)行錨桿長(zhǎng)度、直徑、布置方式的模擬研究分析。首先建立不同錨桿長(zhǎng)度條件下的模擬方案,錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1.8~2.4 m,得到塑性區(qū)分布情況如圖2?!?”表示該單元體正在屈服單元,“×”表示該單元體已經(jīng)屈服單元。統(tǒng)計(jì)各方案條件下圍巖塑性破壞深度及表面變形量模擬結(jié)果,結(jié)果詳見(jiàn)表3。

        圖2 錨桿不同長(zhǎng)度條件下圍巖塑性區(qū)分布

        表3 模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)詳表

        根據(jù)圖2 及表3 所示模擬研究結(jié)果分析可知,錨桿長(zhǎng)度在1.8~2.4 m 范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)于巷道頂板巖層控制效果較好,兩幫及底板塑性破壞范圍較大;錨桿長(zhǎng)度由1.8 m 增大到2.0 m 時(shí),圍巖塑性破壞范圍減小幅度較大,表面變形量減小也相對(duì)明顯;錨桿長(zhǎng)度繼續(xù)增大為2.2 m、2.4 m,各項(xiàng)數(shù)據(jù)小幅度漸緩,圍巖控制效果提升較弱。綜上確定錨桿合理長(zhǎng)度為2.0 m,同理得到錨桿直徑20 mm、間排距0.8 m。

        3.3 底板支護(hù)分析

        底板支護(hù)方案設(shè)計(jì):方案一,反底拱支護(hù);方案二,反底拱+錨注,注漿錨桿直徑22 mm、長(zhǎng)度1.4 m,間排距1.6 m。模擬得到圍巖塑性區(qū)分布情況如圖3。

        采用反底拱支護(hù)方式時(shí),巷道兩幫及底角斜下方圍巖塑性破壞深度相對(duì)無(wú)支護(hù)條件下明顯減小,底板中部底鼓量為144.3 mm,底鼓量明顯減小,但是仍然較大,且底板下方及兩幫下方圍巖塑性破壞深度和范圍較大,不利于巷道圍巖的整體穩(wěn)定;采用反底拱錨注聯(lián)合支護(hù)時(shí),巷道兩幫及底角斜下方向位移塑性破壞深度顯著減小,底板底鼓量最大為47.5 mm,圍巖控制效果明顯。由此確定底板采用反底拱錨注聯(lián)合支護(hù)方式。

        4 三采區(qū)回風(fēng)巷優(yōu)化支護(hù)方案

        結(jié)合騰暉煤業(yè)以往巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究結(jié)果,優(yōu)化三采區(qū)回風(fēng)巷錨網(wǎng)索+反底拱錨注聯(lián)合支護(hù)方案。頂幫錨桿使用Φ20 mm×2000 mm 高強(qiáng)錨桿,錨桿間排距為0.8 m,每排12 根;錨索使用Φ15.24 mm×7000 mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線,“202”布置,錨索間排距為1600 mm×1600 mm。其中錨桿選用拱形高強(qiáng)度托板,規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm,配調(diào)心球墊及減磨墊圈,每孔配Z2360 及CKb2340 錨固劑各一條;錨索每孔配Z2360 及CKb2340 錨固劑各兩條。注漿錨桿直徑22 mm、長(zhǎng)度1400 mm,間排距1600 mm,注漿材料為高水速凝材料,水灰比為1.5:1。具體支護(hù)形式如圖4。

        圖4 三采區(qū)回風(fēng)巷優(yōu)化支護(hù)方案(mm)

        5 礦壓綜合監(jiān)測(cè)

        為摸清騰暉煤業(yè)三采區(qū)回風(fēng)巷采用優(yōu)化支護(hù)方案掘進(jìn)期間礦壓規(guī)律及支護(hù)方式的合理性,對(duì)三采區(qū)回風(fēng)巷掘進(jìn)期間的礦壓信息、受力狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分析[3],整理得到圖5 所示結(jié)果。分析可知,巷道開(kāi)挖15 d 后,圍巖形變速度漸漸減小,約25 d后漸漸穩(wěn)定,頂?shù)装逡平?4 mm、兩幫移近量58 mm,較原支護(hù)減小50%以上。根據(jù)圖5(b)所示錨桿載荷變化曲線可以看出,在2~3 d 后受力狀態(tài)明顯增加,10 d 之后增速放緩,15 d 之后基本穩(wěn)定,錨桿載荷穩(wěn)定在55~65 kN 之間,錨桿和圍巖已經(jīng)共同形成承載結(jié)構(gòu)。綜上,三采區(qū)回風(fēng)巷采用優(yōu)化支護(hù)方案掘巷期間圍巖穩(wěn)定性良好,預(yù)計(jì)能夠保障巷道的長(zhǎng)久安全使用。

        圖5 三采區(qū)回風(fēng)巷礦壓綜合監(jiān)測(cè)結(jié)果

        6 結(jié)語(yǔ)

        騰暉煤業(yè)三采區(qū)回風(fēng)巷初期掘進(jìn)期間采用錨網(wǎng)噴支護(hù),巷道圍巖變形速度快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),支護(hù)強(qiáng)度不足。借助UDEC 數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型,對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析優(yōu)化,確定錨網(wǎng)索噴支護(hù)具體參數(shù),優(yōu)選底板采用反底拱錨注聯(lián)合支護(hù)方案。針對(duì)實(shí)施方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),圍巖變形量相對(duì)于原支護(hù)減小50%以上,錨桿工作性能良好,圍巖穩(wěn)定性得到有效控制,設(shè)計(jì)方案在騰暉煤業(yè)得到了成功應(yīng)用。

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