李 劍,李 猛,王志平,翟朝鐸
(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221008)
隨著淺部煤炭資源日益減少,礦井開采深度逐漸增加,在煤炭開采過程受到復(fù)雜地質(zhì)條件、高地應(yīng)力和二次采動的影響,采空側(cè)巷道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)問題突出[1]。目前,國內(nèi)外許多學(xué)者針對巷道支護(hù)問題進(jìn)行了大量的研究[2-9],但現(xiàn)有的研究多針對軟巖及高應(yīng)力巷道的支護(hù)問題,對于采空側(cè)巷道經(jīng)二次采動影響的研究較少。為此,進(jìn)一步研究其失穩(wěn)機(jī)理及對應(yīng)支護(hù)方案具有重要意義。
本文以陽煤二礦十采區(qū)81003工作面回風(fēng)巷為研究對象。如圖1所示,該巷道在原有支護(hù)方式下受二次采動影響明顯,頂?shù)装逡平窟_(dá)1000mm以上,斷面收縮率達(dá)80%以上,通風(fēng)和行人困難,嚴(yán)重制約礦井的生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益。因此,需要研究針對解決采空側(cè)巷道變形問題的支護(hù)形式。
陽泉煤業(yè)二礦81003工作面主采煤層為15#煤,埋深平均為450m,可采長度為810m;煤厚為6.6~7.54m,平均6.9m,為大采高工作面;煤層傾角為3°~10°,平均為6°。老頂為細(xì)粒砂巖,平均厚度為6m;直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖,平均厚度為5m;老底為砂質(zhì)泥巖,平均厚度為4m;直接底為泥巖,平均厚度為2.8m;巖層綜合柱狀圖如圖2所示。
圖1 回風(fēng)巷斷面收縮實(shí)拍
圖2 巖層綜合柱狀圖
81003工作面回風(fēng)巷斷面為矩形,寬4.7m,高3m,采用錨桿、錨索、鋼帶及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),其右側(cè)為81002工作面采空區(qū)。巷道原有支護(hù)方案為:頂板采用2根規(guī)格為φ22mm×2400mm的端頭錨固螺紋錨桿,排距為800mm,樹脂藥卷加長錨固,錨固長度為1400mm,鋪設(shè)金屬網(wǎng)與鋼帶;頂板每排布置4根規(guī)格為φ21.6mm×7300mm的錨索,排距為800mm,樹脂藥卷加長錨固,錨固長度為2200mm;兩幫一側(cè)采用1根規(guī)格為φ20mm×2400mm的端頭錨固圓鋼錨桿和1根φ21.6mm×5200mm的幫錨索,另一側(cè)采用2根φ20mm×2400mm的端頭錨固圓鋼錨桿,排距均為800mm。
在原有支護(hù)條件下,對巷道變形進(jìn)行監(jiān)測,結(jié)果為:隨著工作面的推進(jìn),兩幫最大移近量為1211mm,平均變形速率為15.6mm/d;頂?shù)装遄畲笠平繛?01mm,平均變形速率為8.4mm/d,如圖3所示。巷道礦壓顯現(xiàn)非常強(qiáng)烈,圍巖變形量超過40%,局部高達(dá)80%。
針對巷道圍巖失穩(wěn)嚴(yán)重的問題,提出通過加強(qiáng)支護(hù)進(jìn)一步控制采礦側(cè)巷道圍巖變形的方案。以長度為100m的巷道為試驗(yàn)巷道,在其原有支護(hù)方式的基礎(chǔ)上,采用φ28.6mm×10700mm的鋼絞線錨索和11#工字鋼(工字鋼中軸線上鉆三個(gè) 32mm的孔,孔間距1000mm,孔中心與工字鋼邊緣500mm)進(jìn)行加強(qiáng),布置在巷道頂板中心線位置。兩幫各增加1根φ20mm×2400mm的端頭錨固圓鋼錨桿。加強(qiáng)支護(hù)后支護(hù)方案如圖4所示。
圖3 巷道位移變化
圖4 加強(qiáng)支護(hù)方案
在加強(qiáng)支護(hù)方案實(shí)際應(yīng)用前,以通用有限差分分析軟件FLAC3D程序進(jìn)行數(shù)值模擬分析并驗(yàn)證方案可行性[10]。FLAC3D采用快速拉格朗日方法,基于顯示差分法來求解運(yùn)動方程和動力方程,適用于模擬巖土工程的力學(xué)行為。
按照陽煤二礦實(shí)際地質(zhì)條件,選取81003工作面回風(fēng)巷長度100m區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?。模型大小?00m×100m×25m,回風(fēng)巷斷面為4.7m×3m,與相鄰采空區(qū)用煤柱隔開;對巷道附近周邊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行細(xì)化,其他各巖層按與巷道遠(yuǎn)近適當(dāng)劃分;模型上邊界施加載荷10MPa以模擬上覆巖層自重,其他3個(gè)邊界均為位移約束,其力學(xué)模型如圖5所示;模型計(jì)算過程中采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。
表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)
圖5 數(shù)值模擬的力學(xué)模型
模擬方案具體為模擬原有支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)兩種條件下,巷道的兩幫及頂?shù)装遄冃吻闆r。
表2為巷道模擬變形量統(tǒng)計(jì)表。圖6為原有支護(hù)巷道和加強(qiáng)支護(hù)條件下的水平位移云圖,圖7為原有支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)條件下的垂直位移云圖。
表2 巷道變形情況
圖6 水平位移云圖
圖7 垂直位移云圖
從模擬結(jié)果分析可知,加強(qiáng)支護(hù)巷道相比原有支護(hù)巷道的變形量明顯減小,頂板最大下沉量、底鼓量、頂?shù)装逡平考皟蓭妥畲笠平拷档头确謩e為53.1%,55.8%,54.3%及52.5%。因此,巷道經(jīng)過加強(qiáng)支護(hù)后,圍巖應(yīng)力狀態(tài)得到明顯改善,圍巖的承載能力顯著增強(qiáng),能夠有效控制巷道的變形和破壞,維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定。
為檢驗(yàn)回風(fēng)巷加強(qiáng)支護(hù)的有效性,對100m長度巷道進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn),并布置了4個(gè)位移測站,監(jiān)測巷道兩幫移近量和頂?shù)装逡平俊1O(jiān)測結(jié)果如圖8所示。
由圖8可知,加強(qiáng)支護(hù)后巷道頂?shù)装逡平科骄鶠?32mm,兩幫移近量平均為540mm。與原有支護(hù)方案相比,巷道頂?shù)装逡平繙p少了52.2%,兩幫移近量減少了55%;兩幫平均變形速率降為4.7mm/d,頂?shù)装迤骄冃嗡俾式禐?.5mm/d。巷道采用加強(qiáng)支護(hù)后,有效地控制了巷道變形,降低了巷道維護(hù)工作量,保證了礦區(qū)的安全生產(chǎn)。
圖8 巷道變形監(jiān)測結(jié)果
1) 利用FLAC3D軟件建立模型,計(jì)算巷道在原有支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)條件下的圍巖變形,模擬結(jié)果表明,加強(qiáng)支護(hù)巷道相比原有支護(hù)巷道圍巖變形量明顯減小,頂板最大下沉量、底臌量、頂?shù)装逡平考皟蓭妥畲笠平肯陆捣确謩e為53.1%、55.8%、54.3%及52.5%。
2) 以陽煤二礦81003工作面回風(fēng)巷為工程實(shí)例,進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)試驗(yàn),現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明:加強(qiáng)支護(hù)與原有支護(hù)相比,巷道頂?shù)装逡平繙p少了52.2%,兩幫移近量減少了55%,與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合,驗(yàn)證了加強(qiáng)支護(hù)在控制采空側(cè)巷道圍巖變形方面的可行性。
3) 理論及實(shí)踐研究表明,加強(qiáng)支護(hù)能夠有效提高巷道的穩(wěn)定性及控制巷道圍巖的變形,保證了礦井的正常生產(chǎn),從而為陽煤二礦乃至其他類似條件巷道支護(hù)提供了經(jīng)驗(yàn)。
[1]李德忠,夏新川,韓佳根,等.深部礦井開采技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2005.
[2]李沖,徐金海,吳瑞.深井軟巖巷道錨索-網(wǎng)殼襯砌耦合支護(hù)機(jī)理與實(shí)踐[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2011(2):193-197,203.
[3]姜耀東,王宏偉,趙毅鑫,等.極軟巖回采巷道互補(bǔ)控制支護(hù)技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009(12):2383-2390.
[4]方新秋,趙俊杰,洪木銀.深井破碎圍巖巷道變形機(jī)理及控制研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2012(1):1-7.
[5]陳浩,任偉中,李丹,等.深埋隧道錨桿支護(hù)作用的數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2011(S1):719-724,786.
[6]陸銀龍,王連國,張蓓,等.軟巖巷道錨注支護(hù)時(shí)機(jī)優(yōu)化研究[J].巖土力學(xué),2012(5):1395-1401.
[7]孫曉明,何滿潮,楊曉杰.深部軟巖巷道錨網(wǎng)索耦合支護(hù)非線性設(shè)計(jì)方法研究[J].巖土力學(xué),2006(7):1061-1065.
[8]李元,劉剛,龍景奎.深部巷道預(yù)應(yīng)力協(xié)同支護(hù)數(shù)值分析[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2011(2):204-208,213.
[9]肖亞寧,馬占國,趙國貞,等.沿空巷道三維錨索支護(hù)圍巖變形規(guī)律研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2011(2):187-192.
[10]劉波,韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.