伏巖煤業(yè)3206工作面厚層軟弱頂板巷道圍巖控制技術(shù)

張小健

(山西陽城陽泰集團(tuán) 伏巖煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105)

1 工程概況

山西陽城陽泰集團(tuán)伏巖煤業(yè)3206上分層工作面位于二采區(qū)，開采3號(hào)煤層，西為中央大巷，東接礦界保安煤柱，北、南為實(shí)體煤。回風(fēng)巷沿3號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度×高度=5.0 m×4.0 m，3號(hào)煤層均厚為6.5 m，煤層傾角為1～6°，煤層普氏系數(shù)為1.3，層狀構(gòu)造，煤層較松軟，含1～3層夾矸，煤層直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，均厚為13.55 m，屬于厚層軟弱頂板，為充分保障3206上分層工作面回風(fēng)巷道的穩(wěn)定，需要對(duì)圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究。

2 圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律分析

為分析3206上分層工作面回風(fēng)巷圍巖的變形規(guī)律，采用UDEC數(shù)值模擬軟件，結(jié)合巷道的地質(zhì)條件，建立長(zhǎng)×高=60 m×60 m的數(shù)值模型，模型上部邊界施加上覆巖層的載荷，底邊和側(cè)邊固定位移，各巖層采用 Voronoi 多邊形節(jié)理生成器進(jìn)行節(jié)理裂隙劃分，具體分析厚層軟弱頂板條件下圍巖裂隙及塑性區(qū)發(fā)育特征。

2.1 圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出巷道在計(jì)算200步、300步、400步、500步、1 000步、1 500步時(shí)，巷道圍巖裂隙的發(fā)育規(guī)律，如圖1所示。

由圖1可知，在運(yùn)算步數(shù)為200步時(shí)，此時(shí)頂板區(qū)域的裂隙發(fā)展高度為3 m，在運(yùn)行到400步時(shí)，頂板裂隙進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)展，此時(shí)裂隙的發(fā)育高度達(dá)到4 m，隨著數(shù)值模擬的運(yùn)行程序的進(jìn)行，當(dāng)運(yùn)算步數(shù)超過400步時(shí)，隨著運(yùn)算步數(shù)的不斷增大，頂板裂隙的發(fā)育逐漸趨于穩(wěn)定，裂隙高度發(fā)育隨著運(yùn)算增長(zhǎng)的幅度逐漸降低，最終當(dāng)數(shù)值模擬進(jìn)行到1 500步時(shí)，巷道頂板的裂隙發(fā)育高度約為5 m。

圖1 不同計(jì)算步數(shù)下圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律

2.2 圍巖塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，不同計(jì)算步數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)育規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同運(yùn)算步數(shù)下圍巖塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律

由圖2可知，隨著運(yùn)算步數(shù)的逐漸增大，巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)育范圍逐漸擴(kuò)大，在運(yùn)算步數(shù)達(dá)到400步時(shí)，此時(shí)巷道圍巖基本均表現(xiàn)為受拉破壞，受拉破壞占到圍巖塑性區(qū)破壞單元的88.1%，圍巖出現(xiàn)塑性屈服單元數(shù)目達(dá)到屈服總數(shù)的82%，同時(shí)在數(shù)值模型運(yùn)算完成后，頂板塑性區(qū)的發(fā)育高度基本為3.2 m。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 圍巖控制對(duì)策

根據(jù)3206厚層軟弱頂板工作面的具體地質(zhì)條件，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，確定針對(duì)厚層軟弱頂板的圍巖控制技術(shù)。

1) 頂板采用高密度長(zhǎng)錨索加強(qiáng)支護(hù)。由于巷道頂板為粉砂質(zhì)泥巖，該種巖石容易出現(xiàn)風(fēng)化現(xiàn)象，同時(shí)由于該種巖石具有碎脹系數(shù)較大的特征，在掘進(jìn)期間巷道易出現(xiàn)離層冒落的現(xiàn)象。為保障頂板巖層的穩(wěn)定，應(yīng)進(jìn)行頂板承載能力的強(qiáng)化作業(yè)，同時(shí)增大錨桿索支護(hù)的錨固區(qū)域范圍，進(jìn)而有效提升加固區(qū)域的厚度，另外在提升錨桿索加固區(qū)域厚度的同時(shí)，應(yīng)提升錨固體的剛度和強(qiáng)度，提升巷道支護(hù)方案對(duì)巷道的護(hù)表強(qiáng)度，進(jìn)而防止頂板軟弱巖層出現(xiàn)煤巖體冒落的現(xiàn)象[1-2]。

2) 幫角加強(qiáng)錨桿。3206上分層工作面回風(fēng)巷為矩形斷面，巷道進(jìn)行開挖作業(yè)后，在幫角的區(qū)域易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，根據(jù)眾多工程實(shí)踐表明，在軟弱圍巖巷道內(nèi)，幫角錨桿的受力較大，易出現(xiàn)錨尾破壞，主要原因?yàn)槊后w的內(nèi)移擠壓對(duì)錨桿托盤產(chǎn)生偏心荷載。通過在幫角布置加強(qiáng)錨桿，不與鋼筋梯子梁或鋼帶相連接，此時(shí)幫角處的單體錨桿能夠在較大程度上減小錨尾下側(cè)所受的拉力，進(jìn)而在較大程度上減少錨尾破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)[3-4]。

3) 幫部采用短錨索進(jìn)行支護(hù)。由于3號(hào)煤層較為松軟，巷道幫部圍巖的松動(dòng)圈范圍較大，僅僅采用錨桿支護(hù)，不能將錨桿有效地錨固在幫部未塑性破壞的圍巖內(nèi)，為對(duì)巷道兩幫的破碎煤體進(jìn)行有效控制，采用短錨索進(jìn)行支護(hù)，以提高巷道幫部的支護(hù)強(qiáng)度，進(jìn)而控制住巷道圍巖在初期的松動(dòng)破壞范圍[5]。

3.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

1) 頂板支護(hù)。錨桿采用D22 mm×2 500 mm的螺紋鋼錨桿，端頭錨固，每根錨桿采用一支K2335樹脂錨固劑和一支Z2360樹脂錨固劑，間排距為880 mm×800 mm，預(yù)緊力矩為300 N·m；錨索采用D21.8 mm×7 300 mm的1×19股鋼絞線，間排距為1 200 mm×800 mm，采用1支K2335樹脂錨固劑和2支Z2360樹脂錨固劑，預(yù)緊力為200 kN，同時(shí)將垂直于頂板打設(shè)的錨桿通過鋼筋梯子梁進(jìn)行連接，采用10號(hào)金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂作業(yè)。

2) 幫部支護(hù)。錨桿型號(hào)、錨固方式均與頂板相同，間排距為800 mm×800 mm，預(yù)緊力矩為300 N·m；短錨索采用D21.8 mm×5 000 mm的鋼絞線，采用1卷K2335和2卷Z2360樹脂藥卷，預(yù)緊力為150 kN，間排距為1 500 mm×800 mm，同樣采用鋼筋梯子梁將垂直于巷道幫部圍巖的錨桿索進(jìn)行連接。

具體巷道支護(hù)方式及參數(shù)如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)斷面(mm)

3.3 效果分析

為驗(yàn)證巷道掘進(jìn)期間圍巖控制效果，在滯后掘進(jìn)工作面50 m的位置布置巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，采用“十字交叉法”進(jìn)行巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭妥冃瘟康某掷m(xù)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間持續(xù)70 d，觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 巷道圍巖變形曲線

由圖4可知，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量和兩幫相對(duì)移近量均隨著觀測(cè)時(shí)間的增大而出現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，在掘進(jìn)后15～20 d的時(shí)間內(nèi)，為掘進(jìn)擾動(dòng)劇烈影響期，其中兩幫及頂?shù)装逡平康钠骄冃嗡俾示?～6 mm/d，當(dāng)巷道掘出20～40 d期間，為掘進(jìn)擾動(dòng)影響緩和期，此時(shí)兩幫及頂?shù)装逡平孔冃嗡俾式档蜑?～1.5 mm/d，當(dāng)巷道掘出40 d后，圍巖變形量基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終頂?shù)装逑鄬?duì)移近量和兩幫移近量的最大值分別為142 mm和133 mm。

4 結(jié) 語

針對(duì)伏巖煤業(yè)3206上分層工作面回風(fēng)巷厚層軟弱頂板的具體特征，基于數(shù)值模擬分析了圍巖裂隙與塑性區(qū)的發(fā)育規(guī)律，確定巷道圍巖的控制對(duì)策為頂板采用高密度長(zhǎng)錨索+幫部采用短錨索+加強(qiáng)幫角支護(hù)，根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，圍巖控制效果良好。