竹林山煤業(yè)1406 綜采工作面圍巖變形規(guī)律及支護(hù)技術(shù)研究

張曉鵬

（山西陽城陽泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)，山西 晉城 048105）

1 工程概況

山西陽城陽泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)為兼并重組礦井，井田位于太行山脈西側(cè)沁水盆地南部邊緣，為低山丘陵地帶，地勢起伏度高，地形復(fù)雜，礦井現(xiàn)回采1400 采區(qū)1406 綜采工作面，工作面主采3 號煤層，3 號煤層全區(qū)穩(wěn)定可采，煤層厚度在3.04~5.89 m 之間，平均煤層厚度為4.48 m，煤層直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，巖層平均厚度為8.12 m，基本頂為細(xì)粒砂巖、泥巖互層，巖層平均厚度為12.4 m，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，平均厚度7.80 m，偽頂為碳質(zhì)泥巖，平均厚度為0.3 m，14106 綜采工作面采用走向長壁綜采一次采全高采煤方法，采用一進(jìn)一回“U”型通風(fēng)方式。1400 采區(qū)下部15 號煤層為實(shí)體煤，1400 采區(qū)不存在蹬空開采。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)竹林山煤業(yè)1406 綜采工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，沿作面推進(jìn)方向建立FLAC3D的數(shù)值計(jì)算模型，材料本構(gòu)模型選用摩爾-庫倫模型，模型固定左右、底部方向邊界，上邊界通過施加均勻載荷q 模擬上覆巖層重力，模擬煤層厚度為4.5 m，基本頂、老頂厚度分別為8、12 m，斷裂步距為18 m，模型上部載荷以采深450 m 計(jì)算，1406 綜采工作面物理模型如圖1 所示。

圖1 1406 綜采工作面物理模型示意圖

2.2 工作面超前支承壓力分布規(guī)律

為了掌握1406 綜采工作面回采期間超前支承應(yīng)力分布規(guī)律，選擇工作面煤壁靠近巷道左幫位置處作為研究對象進(jìn)行數(shù)值模擬分析，考慮到工作面回采期間圍巖穩(wěn)定性受工作面采動(dòng)影響較大，故在模擬過程中，令1406 綜采工作面回采推進(jìn)100 m，模擬計(jì)算得到1406 綜采工作面超前支承壓力分布規(guī)律如圖2 所示。

圖2 1406 綜采工作面超前支承應(yīng)力分布

由圖2 可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，超前支承壓力值呈現(xiàn)先增大至峰值后又緩慢降低，最終逐漸區(qū)域穩(wěn)定的趨勢，在距工作面前方0~10 m 范圍內(nèi)，超前支承壓力值增幅較快，峰值最高達(dá)30 MPa 左右，在距工作面前方10~20 m 范圍內(nèi)，超前支承壓力值驟減至20 MPa 左右，在距工作面前方20~100 m范圍內(nèi)，超前支承壓力值緩慢降低并趨于平緩，最終穩(wěn)定在12 MPa 左右，在距工作面前方40 m 位置處時(shí)，超前支承壓力值基本與原巖應(yīng)力相同。通過上述分析能夠看出，巷道圍巖穩(wěn)定性受工作面采動(dòng)初期影響較大，隨著工作面充分采動(dòng)，圍巖穩(wěn)定性趨于平衡狀態(tài)[1-2]，因此，當(dāng)1406 綜采工作面初期推進(jìn)期間，應(yīng)加強(qiáng)巷道支護(hù)，避免工作面超前支承壓力過大而導(dǎo)致巷道發(fā)生大變形，影響工作面安全。

1406 綜采工作面推進(jìn)距離對超前支承壓力影響如圖3 所示，工作面推進(jìn)距離與巷道變形程度關(guān)系如表1 所示。

圖3 1406 綜采工作面推進(jìn)距對超前支承應(yīng)力的影響

表1 1406 綜采工作面推進(jìn)距離與巷道變形量的關(guān)系

由圖3 與表1 可以看出，隨著工作面推進(jìn)距離的增加，工作面超應(yīng)力峰值不斷前移，巷道變形量逐漸增加，巷道承受的超前支承壓力的大小與工作面與巷道的距離遠(yuǎn)近呈反相的關(guān)系，即工作面與巷道間距越小，巷道超前支承壓力值越大，巷道變形程度越高[3]，當(dāng)工作面推進(jìn)至距巷道5~10 m 位置處時(shí)，巷道變形程度較高，最大頂板下沉量為292 mm，巷幫最大位移量為287 mm，當(dāng)工作面推進(jìn)至距巷道3~70 m 位置處時(shí)，巷道變形程度越低，圍巖穩(wěn)定性較強(qiáng)，最大頂板下沉量為79 mm，巷幫最大位移量為134 mm，因此，可以確定，隨著1406 工作面的采動(dòng)推進(jìn)，巷道圍巖變形程度最大的區(qū)域?yàn)榫喙ぷ髅?0~20 m 區(qū)域內(nèi)，該段圍巖穩(wěn)定性較差，應(yīng)加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度，避免巷道壓力積聚，造成頂板大面積變形垮落的現(xiàn)象。

3 綜采工作面巷道支護(hù)加固技術(shù)

3.1 錨桿支護(hù)參數(shù)確定

根據(jù)竹林山煤業(yè)1406 工作面煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)構(gòu)造， 擬對兩順槽分別采用型號為MSGLW-335/20-2400、型號為MSGLW-335/20-2000的無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿配合規(guī)格為5 900 mm×1 200 mm、網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm 的12#鍍鋅鐵絲網(wǎng)片進(jìn)行頂板、巷幫聯(lián)和支護(hù)，錨桿托板采用孔徑為30 mm 的拱形高強(qiáng)度托板，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，錨桿采用樹脂加長錨固，樹脂藥卷型號為MSK2335、MSZ2360，各錨桿之間排距為1 000 mm，錨桿間距通過改變錨桿根數(shù)來調(diào)整，針對1406 綜采工作面超前支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律，現(xiàn)提出三種支護(hù)方案：

方案一：巷道左幫、頂板、右?guī)透鞑贾?4、9、4 根錨桿；

方案二：巷道左幫、頂板、右?guī)透鞑贾?5、7、5 根錨桿；

方案三：巷道左幫、頂板、右?guī)透鞑贾?5、8、5 根錨桿；

根據(jù)三種方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出各方案支護(hù)效果數(shù)據(jù)見表2。

表2 各方案模擬支護(hù)效果數(shù)據(jù)表

通過表2 可以看出，通過增加錨桿布置的數(shù)量，能夠有效提高巷道圍巖穩(wěn)定性，其中，通過減小幫部錨桿的間距，能夠顯著降低巷道兩幫的變形量，通過減少巷道頂板錨桿的間距，對于控制頂板變形量的作用不太明顯，因此，兼顧經(jīng)濟(jì)成本與安全性雙重因素，選用方案二作為1406 工作面順槽錨桿的支護(hù)參數(shù)，即在巷道左幫、頂板、右?guī)臀恢蒙细鞑贾?、7、5根錨桿。

3.2 錨索支護(hù)參數(shù)確定

竹林山煤業(yè)1406 工作面兩順槽采用規(guī)格為Φ18.9mm×7 300 mm 的小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行頂板支護(hù)，錨索采用3 支樹脂藥卷加長錨固：1 支MSK2335，2 支 MSZ2360，針對 1406 綜采工作面超前支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律，現(xiàn)提出3 種支護(hù)方案：

方案一：無錨索；

方案二：一根錨索，錨索排距為1 400 mm；

方案三：兩根錨索，錨索排距為2 000，間距為1 800 mm；

根據(jù)三種方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出各方案支護(hù)效果數(shù)據(jù)見表3。

表3 各方案模擬支護(hù)效果數(shù)據(jù)表

由模擬數(shù)據(jù)可知，工作面推進(jìn)至距巷道5~15 m位置時(shí)，使用兩套錨索能夠有效控制巷道圍巖的變形情況，考慮到工作面采動(dòng)初期，巷道圍巖穩(wěn)定性受采動(dòng)影響較大，圍巖變形程度大的問題，確定方案三為最優(yōu)支護(hù)方案，即在巷道頂板處布置兩根間距為1 800 mm，排距為2 000 mm 的錨桿進(jìn)行頂板加固。

1406 工作面順槽頂板支護(hù)示意如圖4 所示。

圖4 1406 工作面順槽頂板支護(hù)示意圖

根據(jù)上述確定的方案對1406 工作面回采期間的圍巖變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，1406 工作面推進(jìn)至距巷道5~15 m 位置時(shí)，巷道超前支承壓力達(dá)到峰值，最大支承壓力為18 MPa，巷道頂板最大下沉量為206 mm，巷道左幫最大位移量為113mm，巷道右?guī)妥畲笪灰屏繛?7mm，該支護(hù)工藝支護(hù)效果顯著，工作面圍巖穩(wěn)定性得到有效保證。

3.3 圍巖高應(yīng)力區(qū)域注漿加固工藝

1406 綜采工作面推進(jìn)期間，巷道支承壓力峰值區(qū)域圍巖壓力積聚，破碎程度高，穩(wěn)定性較差，針對此問題，擬施工注漿加固工藝保證圍巖穩(wěn)定性。注漿材料選用甲、乙料比例為1∶1 的ZKD 高水速凝劑，注漿時(shí)漿液水灰比選用1.5∶1。該材料塑性好，強(qiáng)度大，結(jié)實(shí)率高且價(jià)格低廉，適于大量澆筑使用[4]。

1406 工作面順槽注漿鉆孔布置于巷道窄煤柱幫側(cè)，共打設(shè)2 排排距為1m 注漿鉆孔，其中，上部注漿孔仰角為100，下部注漿鉆孔俯角為100，根據(jù)巷道破碎煤體的邊緣厚度，確定鉆孔孔深為2.4 m，鉆孔孔徑為42 mm，各鉆孔注漿鉆孔采用煤電鉆打眼，各鉆孔間距為2 m。1406 工作面順槽注漿孔布置示意如圖5 所示。

圖5 1406 工作面順槽注漿孔布置示意圖

注漿管采用規(guī)格為Φ20 mm 的鋼管制作，管路長1.5 m，管壁厚2.5 mm，注漿管一端加工30 mm 的螺紋進(jìn)行連接托盤，注漿封孔長度為1 m，綜合考慮固結(jié)體強(qiáng)度，裂隙發(fā)育程度和各個(gè)施工工藝之間的相互影響等因素，確定注漿孔注漿壓力1.5 MPa，單孔注漿量在4~5 m3之間，在距注漿管螺紋端頭位置處的1.2、1.35 m 位置處分別布置2 個(gè)規(guī)格為孔徑為6 mm 的出漿孔作為漿液滲流通道，注漿管路內(nèi)漿液充分滲透并凝固后，在起到固結(jié)巷道高應(yīng)力區(qū)域破碎圍巖的作用下，還可充當(dāng)高預(yù)應(yīng)力錨桿，加強(qiáng)巷道圍巖的穩(wěn)定性[5]，1406 工作面順槽注漿管路加工示意如圖6 所示。

圖6 1406 工作面順槽注漿管路加工示意圖

4 結(jié) 語

工作面圍巖穩(wěn)定是確保礦井安全高效回采的重要保證，本文以竹林山煤業(yè)1406 綜采工作面為研究對象，利用數(shù)值模擬分析的方法確定了工作面采動(dòng)期間巷道超前支承壓力的分布范圍與規(guī)律，優(yōu)選出錨桿、錨索支護(hù)的參數(shù)組合，并通過選用甲、乙料比例為1∶1 的ZKD 高水速凝劑對巷道圍巖破碎嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行加固，該支護(hù)組合能夠有效控制巷道圍巖變形情況，提高巷道整體穩(wěn)定性，保障工作面的安全回采。