大斷面全煤回采巷道支護(hù)優(yōu)化

張 科，王高峰

(潞安集團(tuán) 郭莊煤業(yè)公司，山西 長治 046100)

厚煤層占我國煤炭資源總賦存量的40%以上，在厚煤層資源的開采設(shè)計中，回采巷道一般沿煤層底板掘進(jìn)，巷道的高度一般小于煤層厚度[1]。該種巷道的頂板與兩幫通常為煤層，當(dāng)煤層的強度較低時，巷道圍巖穩(wěn)定性較差，巷道表面位移量較大，嚴(yán)重影響了巷道的安全使用[2]。朱振平[3]基于三元中能煤業(yè)2302回風(fēng)平巷的工程實際，采用理論分析與FLAC3D數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對大斷面破碎圍巖回采巷道受二次采動影響下的失穩(wěn)機理進(jìn)行了研究，提出了以增加支護(hù)強度為主要解決方法的圍巖加固方案，并在實踐中得以應(yīng)用，取得了良好效果；王金華[4]基于塔山礦的開采實際，運用數(shù)值模擬分析方法，針對影響全煤巷道穩(wěn)定性的頂煤厚度、巷道布置、埋深以及錨桿錨索支護(hù)參數(shù)等因素，進(jìn)行了圍巖應(yīng)力分布對比分析，得出了巷道應(yīng)力與位移的分布規(guī)律，為全煤巷道支護(hù)提供了理論指導(dǎo)。

本文依托郭莊煤礦生產(chǎn)實際，在礦井原有支護(hù)失效的情況下。采用秦巴列維奇理論，對巷道圍巖失穩(wěn)深度進(jìn)行計算，并對錨桿、錨索的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，經(jīng)現(xiàn)場鉆孔窺視與巷道表面位移監(jiān)測，該種支護(hù)參數(shù)對巷道穩(wěn)定產(chǎn)生了積極的控制作用，效果良好。

1 工程概況

郭莊煤礦3312綜采放頂煤工作面開采3號煤層，煤層平均厚度6.14 m，傾角2～8°，平均3°，該煤層賦存于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊沉積，結(jié)合工作面范圍內(nèi)礦井3181號鉆孔及工作面巷道揭露煤層結(jié)構(gòu)情況，工作面回采范圍內(nèi)煤層厚度穩(wěn)定，局部有1～2層塊狀夾矸，煤層普氏系數(shù)為0.7～0.9。3312工作面地面標(biāo)高為+913.7～+941.7 m，井下標(biāo)高﹢460～+500 m，工作面最大埋深481.7 m，最小埋深413.7 m。煤層直接頂粗粉砂巖，厚度平均3.01 m，普氏系數(shù)4～5；老頂為灰、灰白色中厚層狀細(xì)粒砂巖，厚12.24 m，斜層理明顯，裂隙不發(fā)育，普氏系數(shù)7～8。礦井坑透CT顯示，工作面范圍內(nèi)未出現(xiàn)無線電波異常區(qū)，說明該范圍內(nèi)無明顯地質(zhì)構(gòu)造，無斷層與陷落柱揭露，工作面地質(zhì)條件與水文地質(zhì)情況簡單。

3312運輸巷沿3號煤層底板掘進(jìn)，設(shè)計長度1 150 m，巷道為矩形斷面，凈寬5.0 m，毛寬5.2 m，凈高3.3 m，毛高3.4 m，凈斷面積16.5 m2，掘進(jìn)斷面積17.68 m2，為全煤巷道，主要擔(dān)負(fù)3312工作面設(shè)備運輸與工作面煤流運輸以及為輸送工作面新鮮風(fēng)流等任務(wù)。

2 大斷面全煤回采巷道圍巖破壞特征

由于3312工作面運輸巷掘進(jìn)高度為3.4 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤層厚度6.14 m，故巷道頂板存在厚達(dá)2.74 m的煤層，現(xiàn)場調(diào)研表明3號煤結(jié)構(gòu)松散，強度較低，受到掘進(jìn)擾動以及回采擾動后，極易形成散體結(jié)構(gòu)，并隨時垮落，對礦井的安全高效回采影響較大。考慮到上述因素，利用秦巴列維奇理論建立巷道圍巖破壞理論計算模型[5]，見圖1。

圖1 秦巴列維奇理論力學(xué)模型

由圖1可知，巷道兩幫受兩側(cè)壓力，呈倒三角形垮落，巷道頂板受覆巖以及開采擾動壓力，呈現(xiàn)類拱性垮落，故在進(jìn)行巷道圍巖破壞理論計算時，必須對兩幫以及頂板的最大破壞深度b、h進(jìn)行計算。

巷道兩幫最大破壞深度b可根據(jù)式(1)、(2)計算[5]。

b=Htanθ

(1)

θ=π/4-φ/2

(2)

式中：H為巷道掘進(jìn)高度，取3.4 m；θ為3號煤層塌陷角，(°)；φ為3號煤層內(nèi)摩擦角，實驗室測量為31°。

巷道頂板最大垮落高度h可根據(jù)式(3)計算[5]。

(3)

式中：a為巷道掘進(jìn)寬度，取5.2 m；RC為3號煤層單軸抗壓強度，實驗室測量為8.2 MPa。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式可得，巷道兩幫最大破壞深度b為1.58 m，巷道頂板最大垮落高度h為5.1 m。

3 巷道原有支護(hù)形式及效果

3.1 巷道原有支護(hù)

3312工作面運輸巷在掘進(jìn)初期，認(rèn)為巷道的穩(wěn)定性的關(guān)鍵是對兩幫圍巖穩(wěn)定的控制。為有效保護(hù)巷道兩幫的穩(wěn)定性，在支護(hù)初始階段就對巷道兩幫進(jìn)行了加強支護(hù)，巷道原有支護(hù)參數(shù)為：頂錨桿長度2 000 mm，直徑為20 mm，間排距為1 125 mm×1 000 mm；幫錨桿長度1 800 mm，直徑為20 mm，間排距為800 mm×1 000 mm；頂板錨索長度為6 400 mm，直徑為21.8 mm，間排距為2 000 mm×2 000 mm。巷道支護(hù)斷面見圖2。

圖2 巷道支護(hù)斷面(mm)

3.2 巷道原有支護(hù)效果

3312工作面運輸巷掘進(jìn)300 m后，出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)，巷道變形量較大，在巷道變形最大處進(jìn)行了井下素描，見圖3；在圍巖較為穩(wěn)定處，對頂板0～2 m進(jìn)行了鉆孔窺視，鉆孔窺視結(jié)果，見圖4。

圖3 巷道變形輪廓線素描(mm)

由圖3可知，巷道頂板最大下沉量867 mm，巷道底板最大鼓起量488 mm，總體頂?shù)装逡平繛? 355 mm；巷道兩幫最大移近量為710 mm。巷道已經(jīng)完全無法使用，圍巖完全失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅巷道內(nèi)人員與機械設(shè)備的安全。

圖4 巷道原有支護(hù)頂板0～2 m窺視

由圖4可知，即使在巷道圍巖較為穩(wěn)定區(qū)域，巷道頂板0～2 m的煤層范圍內(nèi)，煤層極不穩(wěn)定，裂隙較為發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差。綜合前面研究，可見原有支護(hù)形式不能控制巷道圍巖的穩(wěn)定，無法滿足巷道的安全高效使用，不利于礦井的安全生產(chǎn)。

4 巷道優(yōu)化支護(hù)形式及效果

4.1 巷道優(yōu)化支護(hù)形式確定

結(jié)合圖3與圖4可以發(fā)現(xiàn)，巷道支護(hù)強度總體偏低，造成了巷道圍巖穩(wěn)定性差，巷道表面位移量大。所以優(yōu)化大斷面全煤回采巷道的總體目標(biāo)為增強巷道支護(hù)強度，控制巷道表面變形。對巷道支護(hù)參數(shù)重新優(yōu)化，增加錨桿以及錨索長度與密度，重新設(shè)計支護(hù)參數(shù)為：頂錨桿長度2 400 mm，直徑為22 mm；幫錨桿長度2 400 mm，直徑為22 mm；頂、幫錨桿間排距均為800 mm×800 mm；頂板錨索長度為8 400 mm，直徑為21.8 mm，間排距為2 000 mm×2 000 mm。巷道支護(hù)斷面圖見圖5。

4.2 支護(hù)效果檢測

為檢測巷道支護(hù)效果，在3312工作面運輸巷掘進(jìn)完成后，進(jìn)行了鉆孔窺視，對巷道圍巖狀況進(jìn)行了觀測，見圖6。在3312工作面回采期間，對工作面前方巷道表面位移進(jìn)行了監(jiān)測，見圖7。

由圖6可以看出，巷道表面0～2 m范圍之內(nèi)，煤層整體性較好，未發(fā)現(xiàn)有明顯的裂隙發(fā)育，錨桿、錨索對煤層起到了控制作用，該支護(hù)方式保障了巷道的安全高效使用。

由圖7可以看出，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?85.2 mm；兩幫移近量最大為50.2 mm。巷道變形量均在巷道安全使用范圍之內(nèi)。由此可見，該種支護(hù)方式對郭莊礦3312工作面運輸巷全煤巷道圍巖穩(wěn)定性起到了控制作用。

圖5 巷道優(yōu)化支護(hù)斷面(mm)

圖6 巷道表面0～2m鉆孔窺視結(jié)果

圖7 巷道表面位移隨工作面推進(jìn)變化

5 結(jié) 語

針對3312工作面運輸巷為大斷面全煤巷道，采用秦巴列維奇理論，確定兩幫最大片幫深度為1.58 m，巷道頂板最大垮落高度為5.1 m。在原有支護(hù)參數(shù)下，巷道頂?shù)装逡平繛? 355 mm，兩幫最大移近量為710 mm，巷道圍巖失穩(wěn)。通過對支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?85.2 mm，兩幫最大移近量為50.2 mm，滿足了巷道安全使用要求，支護(hù)方案對巷道圍巖起到了良好的控制作用。