破碎圍巖順槽支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

郭計(jì)云,閆智信,郭思良

(1.晉中市煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,山西 晉中 030600;2.山西保利鐵新煤業(yè)有限公司,山西 靈石 031300)

煤巷在復(fù)雜地應(yīng)力場(chǎng)及地質(zhì)條件下,圍巖極易呈破碎狀態(tài),支護(hù)難度顯著提高[1],而合理的支護(hù)參數(shù)對(duì)圍巖控制尤為重要[2]。

文獻(xiàn)[3]采用相似模擬手段對(duì)錨固體強(qiáng)度強(qiáng)化特征進(jìn)行分析,結(jié)果表明:其峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)與錨桿預(yù)緊力呈正相關(guān)。文獻(xiàn)[4]采用數(shù)值模擬手段對(duì)錨固體的形成與失穩(wěn)進(jìn)行研究,得出附加應(yīng)力隨錨桿間距減小而增大,隨預(yù)緊力增大而增大。文獻(xiàn)[5]經(jīng)過(guò)相似模擬對(duì)錨桿加固作用進(jìn)行研究,得出節(jié)理巖體的初期剪切剛度隨著預(yù)緊力的提高而增大。文獻(xiàn)[6]通過(guò)建立力學(xué)模型對(duì)預(yù)緊力與預(yù)緊力矩的關(guān)系進(jìn)行研究,給出了相應(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)式。文獻(xiàn)[7]經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬,得出錨桿(索)在離層面處受力明顯增大。

筆者采用巷道圍巖鉆孔窺視手段,對(duì)山西靈石華灜天星公司某礦10號(hào)煤層的順槽圍巖狀態(tài)及支護(hù)參數(shù)合理性進(jìn)行研究,給出了其圍巖變形量過(guò)大的原因,提出了成本較低的新支護(hù)方案,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)證實(shí)了本次研究的正確性與新方案的有效性。

1 工程背景

山西靈石華灜天星公司某礦為兼并重組整合礦井,生產(chǎn)能力60萬(wàn) t/a。現(xiàn)開(kāi)采10號(hào)煤層埋深572 m～673 m,厚度2.27 m～3.3 m,平均2.92 m,頂板依次為:泥巖(平均厚度3.1 m),細(xì)砂巖(平均厚度4.9 m)。該煤層首采面100401工作面在回采過(guò)程中,采用錨網(wǎng)索支護(hù)的兩順槽均出現(xiàn)較大變形,且局部錨桿失效,頂?shù)装逡平孔畲筮_(dá)87 cm,兩幫移近量最大達(dá)103 cm,嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。100401工作面順槽斷面及支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖1(兩順槽相同)。

圖1 100401工作面順槽支護(hù)參數(shù)Fig.1 Gateway supporting parameters of No.1002401 working face

2 圍巖鉆孔窺視及支護(hù)參數(shù)改進(jìn)

為探明100401工作面順槽變形量過(guò)大的原因,并為支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù),采用鉆孔窺視手段對(duì)其運(yùn)輸順槽圍巖進(jìn)行分析研究。

2.1 窺視方案

于100401工作面運(yùn)輸順槽煤壁處布置第一個(gè)測(cè)點(diǎn),沿工作面推進(jìn)方向間隔5 m布置另外兩個(gè)測(cè)點(diǎn),見(jiàn)圖2所示。每個(gè)測(cè)點(diǎn)均采用錨桿鉆機(jī)向頂板及兩幫中部平行打10 m深的鉆孔,進(jìn)行窺視后導(dǎo)入電腦進(jìn)行展開(kāi)分析。

圖2 鉆孔窺視測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of borehole peep points

2.2 窺視結(jié)果

由窺視結(jié)果可知,測(cè)點(diǎn)距煤壁越近,順槽圍巖破壞程度越大,破壞范圍越深;巷道頂板破壞程度較兩幫大,破壞范圍也較深。因此,選取煤壁處頂板鉆孔進(jìn)行分析,其鉆孔錄像展開(kāi)圖，見(jiàn)圖3。

圖3 煤壁處頂板鉆孔錄像展開(kāi)圖(單位:m)Fig.3 Video expansion view of of boreholes at the roof (m)

由圖3可知,巷道圍巖淺部(深度0 m～2.3 m范圍內(nèi))進(jìn)入塑性破壞區(qū),出現(xiàn)大量平行地層的裂縫;泥巖與細(xì)砂巖交界面處離層現(xiàn)象顯著(深度2.9 m～3.1 m處);錨索尾部及細(xì)砂巖與上覆巖層交界面處出現(xiàn)細(xì)小的裂縫(深度6.9 m與7.9 m處)。

2.3 支護(hù)參數(shù)改進(jìn)方案

由窺視結(jié)果與100401工作面順槽支護(hù)參數(shù)可知,錨桿錨固段處于巷道圍巖塑性破壞區(qū)內(nèi),這不利于發(fā)揮錨桿的支護(hù)能力;錨桿預(yù)緊力過(guò)小,導(dǎo)致巷道圍巖塑性破壞深度過(guò)大;錨索密度及預(yù)緊力過(guò)小,不能抑制泥巖直接頂發(fā)生離層;巷道圍巖深部較完整,可作為可靠的錨固點(diǎn)。

根據(jù)上述研究結(jié)果以及現(xiàn)有研究成果[8],對(duì)100401工作面順槽支護(hù)參數(shù)做如下調(diào)整并應(yīng)用至100403工作面順槽:1)錨桿長(zhǎng)度增加至2.5 m;2)錨桿預(yù)緊力增加至60 kN;3)錨索改為五花布置,預(yù)緊力增加至100 kN。新支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖4所示。

圖4 100403工作面順槽新支護(hù)參數(shù)Fig.4 Gateway supporting parameters of No.100403 working face

3 工程驗(yàn)證

為驗(yàn)證研究成果的正確性以及新方案的有效性,在100403工作面回采時(shí)對(duì)其運(yùn)輸順槽進(jìn)行表面位移監(jiān)測(cè)。

3.1 監(jiān)測(cè)方案

于100403工作面運(yùn)輸順槽距煤壁200 m處布置測(cè)站,采用十字布點(diǎn)法布置測(cè)點(diǎn),分別在頂?shù)装逯胁亢蛢蓭椭胁看怪毕锏辣阢@直徑28 mm、深度300 mm的鉆孔,并將直徑30 mm、長(zhǎng)300 mm的木樁打入孔內(nèi)。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5所示。

圖5 巷道表面位移測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Layout of surface displacement monitoring points of roadway

每天用鋼卷尺測(cè)量AB距離(頂?shù)装逡平?及CD距離(兩幫移近量)距離2次,精確到mm,并進(jìn)行記錄。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

將100403工作面運(yùn)輸順槽監(jiān)測(cè)結(jié)果繪入坐標(biāo)系,并截取距煤壁140 m～0 m范圍進(jìn)行分析(200 m ～140 m過(guò)程中巷道表面位移可忽略不計(jì)),見(jiàn)圖6。

圖6 巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.6 Surface displacement monitoring results of roadway

由圖6可知,測(cè)站距工作面140 m～40 m時(shí),巷道表面位移速率不斷增大,位移量緩慢增大;測(cè)站距工作面<40 m時(shí),巷道表面位移量快速增大。自測(cè)站建立時(shí)算起,測(cè)站距工作面100 m時(shí),頂?shù)装逡平繛?5 mm,兩幫移近量為16 mm;測(cè)站距工作面40 m時(shí),頂?shù)装逡平繛?3 mm,兩幫移近量為74 mm;測(cè)站距工作面0 m時(shí)(即該處巷道即將報(bào)廢時(shí)),頂?shù)装逡平繛?37 mm,兩幫移近量為339 mm。這表明工作面回采時(shí),對(duì)順槽較顯著的超前影響距離約為40 m;頂?shù)装逡平繙p小至原方案的27%,兩幫移近量減小至33%;新方案在成本較低的情況下,對(duì)該礦10號(hào)煤層順槽變形控制效果顯著,有效改善了安全生產(chǎn)條件。

4 結(jié)論

1)在山西靈石華灜天星公司某礦10號(hào)煤層原支護(hù)方案下,過(guò)小的錨桿(索)預(yù)緊力導(dǎo)致圍巖破碎深度較大且離層顯著;不合理的錨桿長(zhǎng)度導(dǎo)致錨固段處于圍巖塑性破壞區(qū)。以上因素是導(dǎo)致該礦順槽變形量過(guò)大的主要原因。

2)針對(duì)上述因素進(jìn)行優(yōu)化后,該礦10號(hào)煤層順槽頂?shù)装逡平繙p小至原方案的27%,兩幫移近量減小至33%,在較低成本條件下顯著減小了其圍巖變形。

3)采用鉆孔窺視手段可直觀而準(zhǔn)確地對(duì)巷道圍巖狀態(tài)及其支護(hù)參數(shù)合理性做出分析,以此為依據(jù)的優(yōu)化方案可有效減小巷道圍巖變形。

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