坡底煤礦煤層巷道頂煤支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李煥偉

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晉圣公司坡底煤業(yè)， 山西 晉城 048006)

井工煤礦開采期間，采掘空間支護(hù)的好壞直接影響到工作面的安全高效開采，尤其是服務(wù)于工作面的服務(wù)平巷。當(dāng)服務(wù)平巷為煤層巷道時(shí)，兩側(cè)圍巖為煤體，容易變形破壞，支護(hù)困難，尤其是特厚煤層巷道頂煤厚度大且存在小斷層地質(zhì)構(gòu)造影響時(shí)，在掘進(jìn)過程中更容易出現(xiàn)破裂失穩(wěn)下沉離層現(xiàn)象，導(dǎo)致支護(hù)困難[1-2]. 本文以晉圣公司坡底煤礦某一典型工作面掘巷期間橫穿小斷層地質(zhì)構(gòu)造為工程背景，通過現(xiàn)場調(diào)研、礦壓監(jiān)測、數(shù)值模擬等手段對冒頂?shù)某梢蜻M(jìn)行研究，并提出支護(hù)設(shè)計(jì)方案，以對頂板進(jìn)行合理防控，保證安全生產(chǎn)。

1 工程地質(zhì)概況

晉圣公司坡底煤礦位于山西省晉城市西北方向5 km處，目前主采3#煤層，厚度為5.34～7.36 m，平均厚度為6.56 m. 該煤層結(jié)構(gòu)整體賦存較為穩(wěn)定，夾矸發(fā)育不明顯。煤層上方偽頂由泥巖或砂質(zhì)泥巖組成，基本頂由砂巖組成，煤層下方底板由泥巖、炭質(zhì)泥巖或砂巖組成。3#煤層開采期間，任一工作面兩側(cè)的服務(wù)平巷均為煤層巷道，當(dāng)煤層中存在小斷層地質(zhì)構(gòu)造，服務(wù)平巷采掘至小斷層地質(zhì)構(gòu)造影響范圍內(nèi)時(shí)，頂煤更加破碎，支護(hù)措施不當(dāng)，極易失穩(wěn)誘發(fā)冒頂事故。對坡底煤業(yè)某一典型工作面掘巷期間橫穿小斷層地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行調(diào)研分析，此巷道段采用常規(guī)支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行支護(hù)后，小斷層地質(zhì)構(gòu)造影響范圍內(nèi)的頂板煤體發(fā)生大范圍的冒頂?shù)V壓顯現(xiàn)。頂煤冒落前后，對小斷層地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)頂板的調(diào)研觀測情況見圖1.

由圖1a)可知，煤巷頂板在采取常規(guī)支護(hù)措施后，受小斷層地質(zhì)構(gòu)造的影響頂板煤體破碎，裂隙發(fā)育度高，采用錨網(wǎng)防護(hù)頂板后效果依舊較差，頂板下沉變形嚴(yán)重，且存在多處兜包現(xiàn)象?？梢姴捎贸Ｒ?guī)錨網(wǎng)索支護(hù)措施后對于煤巷頂板煤體的控制效果較差。由圖1b)可知，受小斷層地質(zhì)構(gòu)造影響，常規(guī)錨網(wǎng)索支護(hù)無法維持巷道頂板煤體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致頂板煤體大面積失穩(wěn)而誘發(fā)頂板冒頂事故。圖1c)為冒頂事故發(fā)生后，現(xiàn)場失效錨索的斷裂情況，從錨索斷裂位置可以看出，錨索斷裂方式為拉伸破斷，這意味著錨索受頂板煤體的下沉而被拉斷，進(jìn)而失去對頂板煤體的支護(hù)效用。

2 冒頂區(qū)礦壓觀測分析

現(xiàn)場煤巷冒頂區(qū)位于J7—J8導(dǎo)向點(diǎn)，以J7導(dǎo)向點(diǎn)為參考基準(zhǔn)，采用手持式激光測距儀對煤巷冒頂區(qū)進(jìn)行礦壓監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)采集位置示意圖見圖2.

圖2 冒頂區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集位置示意圖

根據(jù)圖2中所示的監(jiān)測位置對冒頂區(qū)內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，換算得到整個(gè)冒頂區(qū)影響范圍內(nèi)頂?shù)装宓臉?biāo)高變化規(guī)律，見圖3.

圖3 冒頂區(qū)影響范圍內(nèi)頂?shù)装鍢?biāo)高變化規(guī)律圖

由圖3可知，受小斷層地質(zhì)構(gòu)造影響，煤巷內(nèi)發(fā)生了大范圍的冒頂，冒頂區(qū)長達(dá)60 m左右，最大冒頂位置處水平標(biāo)高為484.28 m，較頂板平均水平標(biāo)高477.5 m差距為6.78 m. 可見，最大冒頂高度遠(yuǎn)大于巷道頂煤高度，這表明該礦常規(guī)錨索對頂煤的預(yù)緊力效果不佳，導(dǎo)致錨固于頂煤上方淺部巖層內(nèi)的錨索受頂煤離層效應(yīng)而被拉斷，同時(shí)頂煤上方淺部巖體也受到錨索下拉作用而垮冒，進(jìn)而不僅導(dǎo)致煤巷頂板煤體垮冒，其上方的淺部巖體也相應(yīng)發(fā)生垮冒。因此有必要針對常規(guī)的錨索進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，增加錨索的直徑和長度，將頂煤錨固于頂煤上部巖體較深處，且直徑較大的錨索能夠承載更大的拉拔力，進(jìn)而保障錨索不會(huì)因?yàn)轫斆旱碾x層下沉而被拉斷失去錨固效應(yīng)。同時(shí)考慮到煤巷頂煤受小斷層地質(zhì)構(gòu)造影響而破碎，因此有必要對破碎頂煤進(jìn)行壓實(shí)處理。

3 數(shù)值模擬分析

基于冒頂區(qū)巷道地質(zhì)條件為工程背景，采用RFPA數(shù)值模擬軟件建立二維平面應(yīng)變數(shù)值模型，分析了5種不同強(qiáng)度條件下頂板的垮冒情況，見圖4.

圖4 不同強(qiáng)度頂板垮冒模擬結(jié)果圖

由圖4可知，隨著煤巷頂板上方軟弱巖層(頂煤)強(qiáng)度的提高，其與上位穩(wěn)定的堅(jiān)硬巖層發(fā)生離層的可能性也逐漸降低。當(dāng)煤巷頂板上方軟弱巖層強(qiáng)度很小為5 MPa時(shí)，頂板上方軟弱巖層極易發(fā)生明顯的離層而垮冒至巷道內(nèi)，見圖4a). 當(dāng)強(qiáng)度值為25 MPa時(shí)，頂板上方軟弱巖層發(fā)生較小的離層，但是由于軟弱巖層整體強(qiáng)度不大，隨著離層的擴(kuò)展最終還是引發(fā)了大范圍的冒頂現(xiàn)象,見圖4c). 當(dāng)強(qiáng)度值為50 MPa時(shí)，頂板上方軟弱巖層發(fā)生較小的離層，但是由于軟弱巖層整體強(qiáng)度值較大，最終并未引發(fā)大范圍的冒頂現(xiàn)象,見圖4d). 當(dāng)強(qiáng)度值為100 MPa時(shí)，頂板上方軟弱巖層基本沒有發(fā)生離層，進(jìn)而也不會(huì)誘發(fā)頂板的大范圍冒頂現(xiàn)象，見圖4e).

綜上分析可知，頂板煤巖體的強(qiáng)度直接影響到頂板上方軟弱巖層與其上位穩(wěn)定的堅(jiān)硬巖層之間是否會(huì)發(fā)生離層，而離層的發(fā)生又會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致頂板發(fā)生垮冒事故。同時(shí)，在頂板發(fā)生較小的離層條件下，頂板煤巖體強(qiáng)度值較高時(shí)頂板發(fā)生垮冒事故的可能性要遠(yuǎn)小于頂板煤巖體強(qiáng)度值較小時(shí)。

4 頂板支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對冒頂區(qū)頂板破碎、強(qiáng)度較弱，在原有錨網(wǎng)索支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，對頂板支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出以筒式錨索桁架結(jié)構(gòu)為核心的控制方案。

采用桁架支護(hù)系統(tǒng)后，能夠在巷道上方頂板內(nèi)形成一定范圍的壓縮區(qū)，進(jìn)而將原本強(qiáng)度不大、松散破碎的頂板緊密地壓縮成整體性較好、強(qiáng)度較高的頂板，有利于頂板的穩(wěn)定性[3]. 桁架支護(hù)系統(tǒng)加固頂板示意圖見圖5. 優(yōu)化后的支護(hù)方案見圖6.

圖5 桁架支護(hù)系統(tǒng)加固頂板示意圖

圖6 優(yōu)化后的支護(hù)方案圖

由圖6可知，頂板采用每排3根錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)控制，采用d21.6 mm×8 300 mm的鋼絞線錨索，并對每一根錨索采用一卷CK2335和兩卷Z2360樹脂藥卷進(jìn)行端頭錨固，從而將錨索端頭錨固于頂板上方穩(wěn)定的巖體內(nèi)，并將兩側(cè)錨索采用桁架連接器鏈接到一起，形成高應(yīng)力桁架錨桿支護(hù)系統(tǒng)。考慮到頂板煤體較為軟弱，因此將頂板錨索排距進(jìn)行調(diào)整，將錨索排距調(diào)小至800 mm.

對煤巷頂板支護(hù)體系進(jìn)行優(yōu)化，同樣采用手持式激光測距儀對巷道頂?shù)装鍑鷰r收斂量進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖7.

圖7 頂?shù)装逡平繄D

由圖7可知，在試驗(yàn)段煤巷內(nèi)不同位置處所測量的頂?shù)装逡平孔冃我?guī)律整體趨勢一致，頂?shù)装逡平恐饕皂敯遄冃螢橹?，頂板最大變形量不超過180 mm，較巷道斷面尺寸高度3.5 m相比收斂率不到5%，頂板圍巖變形控制效果良好。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，頂板煤體完整程度較高，并沒有較大的離層及冒頂事故的發(fā)生。

5 結(jié) 論

坡底煤業(yè)某一典型工作面掘巷期間橫穿小斷層地質(zhì)構(gòu)造，易誘發(fā)冒頂事故，采用PFPA數(shù)值模擬軟件對冒頂區(qū)巷道進(jìn)行模擬分析可知，頂板煤巖體的強(qiáng)度值直接影響到頂板上方軟弱巖層與其上位穩(wěn)定的堅(jiān)硬巖層之間是否會(huì)發(fā)生離層，而離層的發(fā)生又會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致頂板發(fā)生垮冒事故。同時(shí)，頂板煤巖體強(qiáng)度值較大時(shí)要遠(yuǎn)小于煤巖體強(qiáng)度值較小時(shí)頂板發(fā)生垮冒事故的可能性。采用桁架支護(hù)系統(tǒng)能夠有效提高煤巷頂煤的整體性，將原本松散破碎、強(qiáng)度值低的頂煤改善提升為完整性良好、強(qiáng)度值高的頂煤?，F(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，頂?shù)装逡平肯噍^于巷道頂?shù)装甯叨仁諗柯什坏?%，頂板圍巖變形控制效果良好。頂板煤體完整程度較高，并沒有較大的離層及冒頂事故的發(fā)生。