掘錨分離巷道圍巖變形特征及支護(hù)技術(shù)研究

劉 毅

（山西焦煤西山煤電官地煤礦 ，山西 太原 030022）

0 引言

礦井正常生產(chǎn)過程中，工作面的快速銜接，能夠保證礦井高效的生產(chǎn)。工作面銜接速度主要受巷道掘進(jìn)速度以及穩(wěn)定程度影響，保證工作面巷道的穩(wěn)定性不僅能夠提高礦井生產(chǎn)的安全性，并且能夠提高礦井的生產(chǎn)效率。工作面巷道的穩(wěn)定性主要取決于巷道的支護(hù)方式，目前在大多數(shù)厚煤層工作面，主要采用綜采放頂煤工藝，這種采煤工藝煤層采出量大，效率高，但其也帶來了一系列問題，巷道的支護(hù)效果差，錨桿支護(hù)自動化程度低，對巷道掘進(jìn)速度有一定影響[1]。為進(jìn)一步優(yōu)化掘進(jìn)、支護(hù)一體化的生產(chǎn)工藝，提高其普及范圍，本文以西山煤電集團(tuán)官地礦中六采區(qū)上組煤軌道巷為生產(chǎn)背景，通過FLAC3D數(shù)值模擬方法，對巷道在掘進(jìn)與支護(hù)分離時的巷道圍巖特征進(jìn)行了研究，提出了支護(hù)優(yōu)化方案[2-4]。

1 工程概況

官地煤礦中六采區(qū)上組煤采區(qū)軌道巷布置在3#煤層中，煤層厚度為2.43m～3.66m，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)。巷道埋深約為850～900m，走向長度約1900m。巷道斷面形狀為矩形，掘進(jìn)寬度為5.0m，高為3.5m，掘進(jìn)斷面積為17.5m2。

2 掘錨分離巷道圍巖變形破壞特征分析

2.1 模型的建立

圖1 不同錨桿布置方案示意圖

根據(jù)官地煤礦中六采區(qū)上組煤軌道巷參數(shù)條件，采用FLAC3D軟件建立其數(shù)值模擬計算模型，對巷道掘進(jìn)、支護(hù)過程中圍巖的塑性區(qū)、應(yīng)力及位移等情況進(jìn)行模擬，從而獲得圍巖變形規(guī)律。中六采區(qū)上組煤軌道巷斷面形狀為矩形，掘進(jìn)寬度為5.0m，高為3.5m。在掘進(jìn)巷道后方15m范圍內(nèi)布置有四種不同支護(hù)方案：方案一，無支護(hù)條件；方案二，頂板每排布置2根錨桿；方案三，頂板每排布置4根錨桿；方案四，頂板每排布置6根錨桿、每兩排布2根錨索，如圖1所示。

2.2 不同支護(hù)方案下圍巖應(yīng)力分布

圖2、3為四種錨桿支護(hù)布置方案下巷道圍巖的應(yīng)力分布情況，如圖所示：在掘進(jìn)工作面后方15m的范圍內(nèi)，采用不同的支護(hù)方式，巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)差別較大，但圍巖最大應(yīng)力狀態(tài)差別較小。

1）由四種支護(hù)方案下垂直應(yīng)力分布情況可以看出，巷道頂板均為應(yīng)力降低區(qū)，這是因為巷道開挖后，頂板內(nèi)部應(yīng)力釋放，應(yīng)力水平降低；兩幫內(nèi)部均出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力最大位置位于煤壁內(nèi)部5m左右，最大垂直應(yīng)力在12.5～12.8MPa范圍內(nèi)。由方案一可以看出，巷道掘進(jìn)后在無支護(hù)條件下，頂板應(yīng)力降低區(qū)較大，冒落拱高度較高，在加入支護(hù)后，應(yīng)力降低區(qū)范圍明顯減小，冒落拱高度降低，并且隨著支護(hù)參數(shù)的加密，冒落拱逐漸減小。

2）由四種支護(hù)方案下水平應(yīng)力分布情況可以看出，在無支護(hù)條件下，頂板水平應(yīng)力降低區(qū)較大，在加入支護(hù)后，水平應(yīng)力降低區(qū)范圍減小，最大水平應(yīng)力有所降低，但降低幅度不大，最大水平應(yīng)力在12.85～13.05MPa范圍內(nèi)，這是因為在加入錨桿支護(hù)后，錨桿的擠壓作用力使得頂板整體性提高，抗壓強(qiáng)度增大，圍巖內(nèi)部受力均勻，穩(wěn)定性提升。

圖2 巷道圍巖垂直應(yīng)力場分布

圖3巷道圍巖水平應(yīng)力場分布

2.3 不同支護(hù)方案下圍巖位移分布

圖4 、圖5為四種錨桿支護(hù)布置方案下巷道圍巖的位移分布情況，如圖所示：采用不同的支護(hù)方式，巷道圍巖的位移情況有著較大的差別。巷道掘進(jìn)后，在無支護(hù)條件下，巷道頂?shù)装逡平繛?35.9mm，圍巖頂、底板位移量較大，頂、底板易出現(xiàn)離層、底鼓等現(xiàn)象；在加入錨桿支護(hù)后，隨著支護(hù)密度的增大，頂?shù)装逡平恐饾u減小，采用方案四即每排頂板布置6根錨桿，2根錨索時，頂級版移近量為20.2mm，位移量明顯減小。采用不同支護(hù)方案時，巷道兩幫位移量變化較小，兩幫圍巖相對比較穩(wěn)定。

圖4 巷道圍巖垂直位移場分布

圖5 巷道圍巖水平位移場分布

圖6 為巷道掘進(jìn)后方不同位置以及不同支護(hù)參數(shù)條件下巷道頂板下沉量曲線圖，由圖分析可知，掘進(jìn)后方15m范圍內(nèi)，巷道圍巖位移變化較大，隨著支護(hù)密度增大，巷道頂板下沉量逐漸減小，當(dāng)頂板采用4根錨桿和6根錨桿時，頂板下沉量幾乎相等。

圖6 不同位置及不同數(shù)量錨桿支護(hù)下頂板下沉曲線

2.4 不同支護(hù)方案下圍巖塑性破壞區(qū)分布

圖7 為不同支護(hù)方案下巷道圍巖塑性區(qū)分布圖，由圖可知，巷道在無支護(hù)條件下，圍巖塑性區(qū)較大，頂板塑性區(qū)最高達(dá)到4m，在施加錨桿支護(hù)后，巷道圍巖塑性區(qū)逐漸減小。由于施加錨桿支護(hù)后，巷道頂板強(qiáng)度增大，巷道兩幫及前方煤壁承受載荷降低，塑性區(qū)范圍也有所降低。

圖7 巷道圍巖塑性破壞區(qū)分布形態(tài)

根據(jù)對上述四種方案數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道在加入支護(hù)后圍巖穩(wěn)定性明顯提高，對比幾種巷道支護(hù)方案可知，采用方案四條件下，巷道圍巖變形量最小，塑性區(qū)范圍最小，最終確定官地礦六采區(qū)上組煤軌道巷頂板支護(hù)方式即頂板每排布置6根錨桿，2根錨索。

3 中六采區(qū)上組煤軌道巷支護(hù)設(shè)計

3.1 支護(hù)方式及參數(shù)

根據(jù)上述數(shù)值模擬分析結(jié)果，結(jié)合官地煤礦過去巷道支護(hù)工程經(jīng)驗，最終確定中六采區(qū)上組煤軌道巷采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方式。

1）頂板支護(hù)：錨桿采用Φ22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置6根錨桿，間距為800mm和950mm，排距為1000mm。錨桿采用兩只加長錨固劑，型號分別為MSK2335和MSZ2360，錨固長度為1200mm。錨索采用Φ22mm×6300mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排布置兩根，間距為1600mm，排拒為2000mm。錨索采用兩只錨固劑，型號分別為MSK2335和MSZ2360，錨索錨固長度為1970mm。W鋼護(hù)板規(guī)格為4mm×280mm×450mm(厚×寬×長)。頂板采用金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)片規(guī)格為5400mm×1100mm。

2）巷幫支護(hù)：錨桿采用Φ22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置4根錨桿，間距為900mm，排距為1000mm。錨桿采用一支樹脂錨固劑，型號為MSZ2360，錨固長度為760mm。W鋼護(hù)板與頂板相同。兩幫采用金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)片規(guī)格3300mm×1100mm。中六采區(qū)上組煤軌道巷支護(hù)斷面如圖8所示。

圖8 中六采區(qū)上組煤軌道巷支護(hù)斷面圖(mm)

3.2 支護(hù)效果分析

圖9 巷道表面位移監(jiān)測曲線

1）巷道表面位移監(jiān)測。采用十字布點(diǎn)法對巷道圍巖表面位移量進(jìn)行實時監(jiān)測監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。由圖可知，優(yōu)化支護(hù)方案后，巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?2mm，兩幫移近量最大為57mm，隨著掘進(jìn)面不斷地前進(jìn)，巷道圍巖表面移近量逐漸穩(wěn)定，基本不在變化，由此證明該支護(hù)方案效果較好。

2）頂板離層。在頂板巖層中安裝頂板離層儀，從監(jiān)測結(jié)果知，頂板巖層內(nèi)部基本無離層現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，采用該巷道支護(hù)方案，對巷道圍巖穩(wěn)定性起到了較好的作用。

4 結(jié)論

1）由官地礦中六采區(qū)上組煤軌道巷數(shù)值模擬分析得出，相比較于無支護(hù)條件下，巷道圍巖在采用錨桿支護(hù)方式時，巷道圍巖垂直應(yīng)力降低，垂直應(yīng)力峰值在12.5～12.8MPa范圍內(nèi)，頂板冒落拱范圍明顯減小，兩幫煤壁內(nèi)部均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；水平應(yīng)力降低區(qū)范圍減小，應(yīng)力峰值變化不大，在12.85～13.05MPa范圍內(nèi)；巷道頂板塑性區(qū)明顯減小，對兩幫及掘進(jìn)面前方煤體載荷減小，塑性區(qū)也有所降低。

2）根據(jù)中六采區(qū)上組煤軌道巷數(shù)值模擬結(jié)果，最終決定采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)方式，并對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計。通過對巷道表面位移、頂板離層情況監(jiān)測結(jié)果可知，巷道圍巖變形量較小，由此證明該支護(hù)方案合理，能夠很好地保持巷道的圍巖穩(wěn)定。