近距離下煤層軌道順槽錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)

李小利

(山西中新小梁溝煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 大同 037002)

根據(jù)陳家溝煤礦煤層賦存埋深多變，加之該礦10#煤層屬近距離煤層開采，其中上部9#煤層已經(jīng)回采完畢，對(duì)10#煤層頂板造成了一定的破壞，導(dǎo)致10#煤回采巷道支護(hù)成為支護(hù)難題。本文通過數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析了軌道順槽在掘進(jìn)和工作面采動(dòng)影響下的圍巖變形量、頂?shù)装逡平?、屈服破壞面積等規(guī)律，給出了相對(duì)合理的支護(hù)設(shè)計(jì)并結(jié)合?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，確定此支護(hù)設(shè)計(jì)合理，支護(hù)效果明顯。

1 工程條件分析

1.1 工程地質(zhì)條件概況

井田位于鄂爾多斯聚煤盆地東緣的河?xùn)|煤田中段東邊緣。井田大部分被黃土覆蓋，基巖零星出露。井田內(nèi)發(fā)育的地層由老至新有：奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組及上統(tǒng)上石盒子組，上第三系上新統(tǒng)，第四系中上更新統(tǒng)的地層。該井田總體有1條單斜構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上發(fā)育次一級(jí)的寬緩褶曲，地層傾角2°～8°。4#煤層中部發(fā)現(xiàn)1條長(zhǎng)約850 m，南北向展布的煤層沖刷帶，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層及陷落柱。在生產(chǎn)中，應(yīng)注意隱伏斷層和陷落柱，以防透水事故的發(fā)生。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有巖漿巖侵入，構(gòu)造為簡(jiǎn)單類型。

1.2 煤層頂?shù)装迩闆r

陳家溝煤礦10#煤層位于太原組下部，上距9#煤層3.45～9.60 m，平均5.32 m，其頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，煤層厚度1.55～3.00 m，平均2.17 m，含0～3層夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單一復(fù)雜，為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。

1.3 工程概況

10#煤層軌道順槽斷面尺度：4 m×3.5 m，其中10#煤層上部9#煤層現(xiàn)已全部回采完畢，由于9#煤層回采巷道保護(hù)煤柱的影響，導(dǎo)致9#煤層回采巷道圍巖變形嚴(yán)重，給安全生產(chǎn)帶來了一定的影響。因此，這種特殊條件下回采巷道支護(hù)參數(shù)的確定成了亟待解決的問題。

2 數(shù)值模型

2.1 支護(hù)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力情況、煤層開采狀況及理論計(jì)算確定10#煤層軌道順槽錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)。頂錨桿用d20 mm×2 500 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1 000 mm，幫錨桿用d20 mm×2 200 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距950 mm×1 000 mm；錨索用d17.8 mm×8 200 mm的高彈性低松弛度鋼絞線，間排距1 800 mm×3 000 mm。設(shè)計(jì)方案見圖1。

圖1 軌道順槽支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖

2.2 煤層參數(shù)

根據(jù)陳家溝煤層井田內(nèi)鉆孔資料、煤層綜合柱狀圖及實(shí)驗(yàn)室物理參數(shù)測(cè)定結(jié)果，對(duì)數(shù)值模型賦相應(yīng)的物理參數(shù)。

2.3 模型的建立

工作面軌道順槽計(jì)算模型見圖2。

圖2 軌道順槽計(jì)算模型圖

10#煤軌道順槽沿10#煤層底板掘進(jìn)，斷面尺寸：寬×高=4 m×3.5 m，由于對(duì)稱性，各模擬回采工作面長(zhǎng)度的一半分別取75 m和85 m，在軌道順槽的另一側(cè)為實(shí)體煤，取30 m；則模型寬度為115 m。模擬9#煤厚1.12 m，10#煤厚4.23 m，9#煤頂板42 m，9#煤和10#煤之間夾層厚5.32 m，底板21.94 m，則模型高度74.7 m。模擬工作面推進(jìn)長(zhǎng)度240 m，則模型的長(zhǎng)×寬×高=115 m×240 m×74.79 m。模型的4個(gè)側(cè)面為固定位移邊界，限制水平垂直位移[1-2]。考慮煤層埋深分別為200 m、300 m、400 m和500 m四種情況下的圍巖穩(wěn)定性。煤層覆巖重力按照均布荷載施加在模型上部邊界。模擬時(shí)，先開挖9#煤層回采巷道，再開采9#煤層工作面，之后先開挖10#軌道順槽，然后開采10#煤層工作面，同時(shí)在軌道順槽距工作面煤壁前方120 m處斷面上，沿巷道頂?shù)装逯醒?、兩幫腰線處和錨桿錨索錨固高度位置布置位移測(cè)點(diǎn)，記錄工作面順槽掘進(jìn)、工作面回采過程中頂?shù)装?、兩幫位移的變化?guī)律[3-4]。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 掘進(jìn)期間圍巖移近量

掘進(jìn)期間工作面軌道順槽在不同埋深時(shí)頂?shù)装?、兩幫移近量見圖3。

圖3 軌道順槽圍巖移近量隨埋深的變化

由圖3可以看出，隨著埋深的逐漸增加，圍巖移近量也在不斷加大，在埋深500 m條件下，工作面掘進(jìn)期間，軌道順槽的頂?shù)装逡平繛?0.56 mm，兩幫移近量為112.95 mm，圍巖移近量相對(duì)較小，表明在順槽掘進(jìn)期間圍巖是穩(wěn)定的。

3.2 采動(dòng)對(duì)圍巖移近量的影響

不同埋深10#煤軌道順槽測(cè)點(diǎn)處頂?shù)装?、兩幫移近量隨工作面推進(jìn)的變化計(jì)算結(jié)果曲線見圖4，5。

圖4 測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逡平侩S工作面推進(jìn)變化示意圖

圖5 測(cè)點(diǎn)兩幫移近量隨工作面推進(jìn)變化示意圖

由圖4,5可以看出，隨著埋深的逐步增加，頂?shù)装濉蓭鸵平恳苍谠龃?，符合基本?guī)律，在超前工作面30～120 m圍巖移近量基本沒有改變，直到超前工作面30范圍之內(nèi)，頂?shù)装濉蓭鸵平坎胖饾u增加。因此，應(yīng)對(duì)軌道順槽超前30 m范圍內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)。在整個(gè)工作面推進(jìn)過程中，錨固范圍內(nèi)頂板、兩幫移近量較小，說明本支護(hù)設(shè)計(jì)合理、有效。

3.3 采動(dòng)對(duì)巷道屈服破壞特征

埋深400 m超前工作面煤壁不同距離處軌道順槽圍巖屈服破壞單元分布及錨桿錨索軸力圖見圖6。

由圖6可以看出，隨距離工作面的距離逐漸縮短，巷道圍巖屈服破壞范圍也在不斷擴(kuò)大。120～30 m范圍內(nèi)，巷道屈服破壞范圍變化不明顯；超前工作30 m范圍內(nèi)工作面一幫的屈服破壞區(qū)域明顯增加;其中工作面右?guī)推茐膮^(qū)域明顯增大。因此，在工作面開采過程中應(yīng)加大工作面右?guī)偷闹ёo(hù)。從整體屈服破壞面積來看，在此支護(hù)條件下，巷道破壞范圍較小，巷道整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 工程實(shí)踐

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)10#煤軌道順槽圍巖移近量進(jìn)行了觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果顯示，頂板最大移近量為53 mm，最小移近量為15 mm；兩幫移近量最大為63 mm，最小移近量為18 mm，其中順槽右?guī)鸵平看笥谧髱?。根?jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，證明巷道在整個(gè)工作面采動(dòng)過程中穩(wěn)定、安全、可靠。

a) 120 m b) 4 mm

c) 20 m d) 10 mm

5 結(jié) 語

以陳家溝煤礦近距離下10#煤軌道順槽支護(hù)設(shè)計(jì)為背景，通過數(shù)值模擬試驗(yàn)得知，在10#煤工作面開采工程中要在工作面前方30 m范圍內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)；加強(qiáng)巷道右?guī)偷臋z測(cè)和支護(hù)。由此方法確定的支護(hù)方案，在現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用，結(jié)果表明，巷道在工作面開采過程中圍巖移近量小，整體穩(wěn)定。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]牛鵬飛,邢險(xiǎn)峰,楊永康，等.云泉9#煤回風(fēng)大巷錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)研究[J].山西煤炭,2013,33(07):40-44.

[2]康天合，郜進(jìn)海，潘永前.薄層狀碎裂頂板綜采切眼錨固參數(shù)與錨固效果[J].巖石力學(xué)與上程學(xué)報(bào),2004，23(12):30-35.

[3]康紅普.煤礦深部巷道錨桿支護(hù)理論與技術(shù)研究新進(jìn)展[J].煤礦支護(hù),2007(2):1-8.

[4]康紅普,林 健,吳擁政.全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)及其在動(dòng)壓巷道中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2009，34(9):53-56.