沿空巷道支護方式及參數(shù)優(yōu)化研究

徐紅剛

(山西潞安化工集團有限公司 古城煤礦，山西 長治 046100)

長期以來，煤炭始終占據(jù)我國一次能源生產(chǎn)、消費領域的主導地位[1]，隨著開采強度以及開采深度的逐年增加，為提高資源的回采率，礦井常采用沿空掘巷的方式進行巷道布置[2-3]。隨著開采采深的增加，深部煤炭資源開采過程中應力分布以及動力顯現(xiàn)特征相較于淺部資源表現(xiàn)出明顯的差異，表現(xiàn)為采掘空間動壓顯現(xiàn)頻繁且由于高靜壓以及動壓擾動，沿空巷道失穩(wěn)變形嚴重，圍巖穩(wěn)定及控制問題尤為突出[4-8]。

巷道作為礦井生產(chǎn)、運輸?shù)闹匾ǖ溃袚L、運輸?shù)热蝿?，若變形嚴重，動壓顯現(xiàn)頻繁，將對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅[9]。古城煤礦主采煤層為3號煤層，在淺部開采時礦井工作面回采巷道，采用錨桿、錨索聯(lián)合支護方式，巷道變形量以及動力顯現(xiàn)均較少，支護效果良好。隨著下部工作面開采，由于采深的增加以及臨近上側(cè)采空區(qū)，受采空區(qū)頂部支承壓力的影響，回采巷道在開掘之初，鉆場以及巷道變形量大，原有支護方式以及支護參數(shù)不能滿足巷道的行人生產(chǎn)要求，在此情況下，亟需地質(zhì)以及開采角度進行優(yōu)化設計，從而構(gòu)建確立一個支護效果良好的支護方案，為本礦井深部臨空巷道的支護設計提供參考。

1 工程概況

古城煤礦1306工作面主采3號煤層，1306工作面回風巷道布置在3號煤層中，施工時已揭露該煤層。3號煤層埋深為520～642 m，煤層厚度3.35～9.75 m，平均厚6.5 m，工作面采煤高度3.8 m，放煤高度2.70 m，采放比為1∶0.71.煤層傾角1～10°，平均傾角為5°.煤層直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度約3.85 m，基本底是厚度為5.24～10.23 m的細粒砂巖，以石英為主，單軸抗壓強度為23.85 MPa.直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為8.56 m，深灰色，含有完整植物化石；基本頂則以中粒砂巖以及細粒砂巖為主，厚度13.46 m左右。

1306工作面回風巷道臨近1305工作面采空區(qū)，工作面回風巷道為矩形斷面，寬度5.20 m，高度3.80 m，掘進斷面19.76 m2.

2 工作面巷道圍巖穩(wěn)定性分析

研究表明[10-13]，矩形巷道圍巖松動圈計算方法可類比等效圓形巷道進行近似計算，根據(jù)彈性力學及Mohr-Coulomb準則，在靜水壓力作用下，圓孔周圍彈性區(qū)以及塑性區(qū)徑向應力(σr)以及切向應力(σθ)分別如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

由圍巖彈、塑性區(qū)相等條件，聯(lián)立上式可得圓孔周圍塑性區(qū)半徑R：

選取我院2017年1月—2018年1月收治的30例黃疸型病毒性肝炎患者為研究對象，隨機分為觀察組與對照組，各15例。觀察組男性8例，女性7例，年齡30～65歲，平均年齡（42.5±3.5）歲；對照組年齡31～66歲，平均年齡（43.0±3.5）歲；所有患者均已通過相關(guān)檢測，符合黃疸型病毒性肝炎診斷標準，排除其他傳染性疾病，經(jīng)我院倫理委員會同意，簽署知情同意書，其性別、年齡、基礎疾病等一般資料經(jīng)統(tǒng)計學分析均差異無統(tǒng)計學意義，P＞0.05，有可比性。

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：g為矩形巷道高度，m；h為矩形巷道寬度，m；R1為矩形巷道頂板松動圈半徑，m；R2為矩形巷道兩幫松動圈半徑，m.

代入1306工作面回風巷參數(shù)，p0=13.00 MPa；C=3.2 MPa；φ=35 ° .需要說明，由于該工作面巷道為矩形斷面，在此采用等效近似法由工作面高度以及寬度g=3.8 m,h=3.8 m，計算可得,1306工作面等效圓形巷道半徑為R0=3.22 m，巷道塑性區(qū)半徑R=3.83 m，矩形巷道頂板松動圈影響范圍R1=1.93 m，兩幫松動圈影響范圍R2=1.23 m.

首先通過向巷道兩幫以及頂板垂直施工孔深為2～3 m、孔徑為42 mm的鉆孔，其次通過鉆孔窺視儀對巷道圍巖兩幫以及頂板進行窺視。經(jīng)過現(xiàn)場觀測得出，巷道頂板及兩幫松動圈影響范圍分別為2.33 m、1.56 m，與理論計算值相近。根據(jù)松動圈圍巖分級支護理論[14]，1306工作面回風巷屬于Ⅱ、Ⅳ類中等穩(wěn)定和不穩(wěn)定巷道，應采用錨桿、鋼帶、錨網(wǎng)以及錨索聯(lián)合支護。綜上所述，3號煤層巷道按照圍巖松動圈理論分類為中等穩(wěn)定巷道-不穩(wěn)定巷道。

3 支護參數(shù)數(shù)值模擬

3.1 模型建立及方案

通過數(shù)值模擬對1306工作面回風巷采用不同支護參數(shù)情況下巷道應力分布及變形進行數(shù)值模擬，研究支護參數(shù)對于巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，并確定1306工作面回風巷支護參數(shù)，采用FLAC3D建立三維計算模型，模型尺寸為100 mm×50 mm×130 mm，根據(jù)工作面埋深，在模型頂部施加10.5 MPa垂直方向應力，采用Mohr-Coulomb準則作為煤巖體破裂屈服判據(jù)。根據(jù)礦井地質(zhì)資料以及煤巖體物理力學參數(shù)測試結(jié)果，模型物理力學參數(shù)見表1.

表1 模型巖體力學參數(shù)

首先模擬臨近1305工作面開采，待開采完畢，模型應力平衡后，對1306工作面回風巷道進行掘進，并采用錨桿、錨網(wǎng)、錨索以及鋼帶進行聯(lián)合支護，記錄分析支護后巷道周圍應力分布情況以及變形情況，對圍巖穩(wěn)定性進行分析。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

如圖1所示,巷道圍巖均出現(xiàn)了不同程度的應力集中現(xiàn)象，應力增量主要集中于頂板以及兩幫，存在沿某一應力主方向貫穿巷道分布的特征。

圖1 不同支護參數(shù)下巷道圍巖應力分布圖

隨著巷道錨桿間排距的減小，當錨桿間排距采用800 mm×800 mm布置時，巷道頂板以及兩幫應力集中區(qū)域面積明顯減少，且應力峰值相較于前者存在明顯下降趨勢，峰值應力為20.31 MPa，應力集中系數(shù)為1.55，巷道圍巖應力呈“蝶形”分布特征，在巷道右上側(cè)以及左下側(cè)呈對稱分布，在巷道右?guī)腿杂袘ΟB加影響區(qū)域。而當錨桿間排距采用600 mm×600 mm布置時，巷道圍巖應力集中區(qū)域明顯減少，應力峰值僅為17.64 MPa，應力集中系數(shù)為1.35，相較于前者應力顯著降低。

不同支護參數(shù)下巷道圍巖位移分布圖如圖2所示。巷道圍巖在頂、底板兩幫均出現(xiàn)明顯變形位移情況，呈現(xiàn)出以下特點：首先巷道頂板位移量大于兩幫，即頂板穩(wěn)定性是回風巷穩(wěn)定性的關(guān)鍵；其次巷道上部的位移量大于巷道下部的位移量，位移量整體呈倒梯形分布，隨著巷道支護參數(shù)的提高，巷道位移分布規(guī)律基本類似。

圖2 不同支護參數(shù)下巷道圍巖位移分布圖

巷道錨桿采用1 000 mm×1 000 mm間排距布置情況下，巷道頂板最大位移量達915 mm，且最大位移處于巷道中央，支護效果較差，在兩幫上側(cè)臨近巷道角部，存在兩處對稱分布位移量較大區(qū)域，巷道底板也存在此種分布特點。隨著錨桿支護間排距的縮小，當間排距為800 mm×800 mm時，巷道頂板位移量明顯減少，僅在頂部巷道壁處存在少量位移量較大區(qū)域，巷道圍巖整體位移量較小，平均位移為453 mm.當支護密度為600 mm×600 mm時，變形仍集中于巷道頂板中央處，巷道兩幫以及底板位移量顯著減少，巷道兩幫位移量為153 mm，頂板位移量為220 mm，圍巖僅在巷道頂角部存在少量移進現(xiàn)象。即隨著巷道支護密度的增加，巷道圍巖變形量減少，圍巖穩(wěn)定性提高，從非穩(wěn)定逐漸轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定巷道。

綜上所述，對比分析不同參數(shù)下，巷道圍巖應力以及位移分布規(guī)律，得出1306工作面巷道錨桿間排距采用600 mm×600 mm布置時，從應力以及變形角度，均可以滿足巷道圍巖穩(wěn)定性控制，從安全角度考慮應選取此種支護參數(shù)對1306工作面回風巷進行支護。

4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

對1306工作面回風巷道支護參數(shù)優(yōu)化后，采用布置測點的方式對掘進期間圍巖變形量進行觀測。巷道掘進期間圍巖位移參數(shù)如圖3所示。巷道掘進期間，巷道頂板、左幫、右?guī)屠塾嬜冃瘟糠謩e為272.36 mm、124.00 mm、196.5 mm，經(jīng)過對巷道支護參數(shù)進行優(yōu)化后，巷道變形量相對較小，圍巖穩(wěn)定性較好。

圖3 巷道掘進期間圍巖位移圖

巷道回采期間圍巖位移參數(shù)如圖4所示。在距離工作面0～42 m范圍內(nèi)，每間隔2 m對巷道圍巖變形情況進行觀測后可知，頂板位移量明顯高于巷道兩幫，巷道最大變形量為40 mm，距離工作面0 m后，巷道變形量逐漸趨近于穩(wěn)定。由此可知，采用此種支護形式以及支護參數(shù)，工作面回風巷道圍巖穩(wěn)定。

圖4 工作面回采期間圍巖位移圖

5 結(jié) 語

1) 對古城煤礦1306工作面回風巷道圍巖松動圈進行計算，得出巷道頂板、兩幫圍巖松動圈距離分別為1.93 m和1.23 m，巷道圍巖穩(wěn)固性等級為中等穩(wěn)定巷道-不穩(wěn)定巷道，并確定巷道應采用端錨或全錨形式，配合鋼帶、錨網(wǎng)索進行支護。

2) 通過數(shù)值模擬對回風巷道采用600 mm×600 mm、800 mm×800 mm與1 000 mm×1 000 mm間排距布置情況下，巷道圍巖應力及變形進行模擬。結(jié)果表明，巷道錨桿采用600 mm×600 mm時巷道應力集中程度低，且圍巖變形量較小。

3) 根據(jù)掘進以及回采期間巷道圍巖變形量實測結(jié)果，在巷道掘進期間，頂板、左幫、右?guī)屠塾嬜冃瘟糠謩e為272.36 mm、124.00 mm、196.5 mm，回采期間巷道單日最大變形量為40 mm.