新景煤礦8129進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)方案優(yōu)化研究

李爭杰

(華陽集團(tuán)新景公司，山西 陽泉 045000)

1 工程概況

華陽股份智能礦山事業(yè)部新景公司8129綜采工作面位于蘆南采區(qū)525水平，工作面標(biāo)高517～561 m，地面標(biāo)高859～974 m，埋藏深度為322～448 m.工作面走向長1 249 m，傾斜長205 m，面積256 045 m2.本工作面井下位于8號煤蘆南采區(qū)北翼中部，西為8128工作面(已采)，南為蘆南風(fēng)井，東為8130工作面(未掘)，北為525水平中條帶大巷，服務(wù)于本面的巷道主要有蘆南8號煤采區(qū)補(bǔ)膠帶巷、8號煤采區(qū)補(bǔ)軌道巷、8號煤采區(qū)補(bǔ)回風(fēng)巷等，8129工作面位置詳情見圖1(a)所示。工作面所采煤層為8號煤，煤層總厚2.34～3.43 m，平均厚度2.94 m.老頂為6.65 m的中粒砂巖，灰白色，成分以石英為主，長石次之，夾泥質(zhì)條帶，含云母和黑色礦物，硅質(zhì)膠結(jié)，厚度變化較大。直接頂為8.08 m的泥巖，黑色，含植物化石，中部夾1～2層菱鐵礦結(jié)核，上部含沙量較大，常相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖；直接底為1.87 m的砂質(zhì)泥巖，灰黑色，富含植物碎片化石和黃鐵礦，頂部有時相變?yōu)槟鄮r。底板容許比壓為4.5 MPa.巷道全部沿頂板掘進(jìn)。

8129進(jìn)風(fēng)巷長1 249 m，沿8號煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)。進(jìn)風(fēng)巷頂板采用D20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿+D17.8 mm×7 300 mm錨索+W鋼帶+經(jīng)緯網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿間排距0.9 m，錨索間排距1.8 m.采幫采用D20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿+金屬菱形網(wǎng)+W鋼護(hù)板聯(lián)合支護(hù)；煤柱幫采用D20 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿+D17.8 mm×4 200 mm錨索+金屬菱形網(wǎng)+W鋼護(hù)板聯(lián)合支護(hù)錨桿間排距1.1 m×0.9 m，錨索間排距1.8 m.原支護(hù)斷面如圖1(b)所示?，F(xiàn)階段進(jìn)風(fēng)巷已掘進(jìn)300 m，輔助進(jìn)風(fēng)巷已掘進(jìn)340 m，對巷道掘進(jìn)穩(wěn)定之后圍巖變形量進(jìn)行初步測量，得出進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形量較大，頂?shù)装遄冃瘟枯^小，局部地段兩幫變形較嚴(yán)重，尤其是回采幫，多處出現(xiàn)較為嚴(yán)重的網(wǎng)兜現(xiàn)象，兩幫移近量達(dá)到500～600 mm，預(yù)計無法滿足工作面安全生產(chǎn)的需求。為實現(xiàn)8129進(jìn)風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定控制目標(biāo)，對其巷內(nèi)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究。

圖1 8129進(jìn)風(fēng)巷位置及支護(hù)示意(mm)

2 8129 工作面進(jìn)風(fēng)巷錨固性能測試與分析

根據(jù)在8129進(jìn)風(fēng)巷現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，原有支護(hù)條件下，錨桿、錨索脫錨現(xiàn)象較為普遍，錨固效果差是導(dǎo)致支護(hù)效果不佳的重要原因，因此在現(xiàn)場進(jìn)行錨固性能試驗，對其錨桿、錨索錨固參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 錨桿錨固性能測試

在8129進(jìn)風(fēng)巷里程200 m處進(jìn)行錨桿錨固力及預(yù)緊力的測試，頂錨桿為直徑20 mm、長2.4 m的335號螺紋鋼，選用CK2360型和Z2380型兩種錨固劑，幫部錨桿直徑20 mm、長度2.0 m.試驗表明：采用兩支CK2360樹脂藥卷時，錨固力均值106 kN，設(shè)計錨固力為100 kN，基本能夠滿足現(xiàn)場使用的要求，但是錨固劑凝結(jié)速度過快，現(xiàn)場操作不方便。頂板錨桿采用兩支Z2380樹脂藥卷進(jìn)行錨固時，錨固力平均值為115 kN，滿足現(xiàn)場使用，錨固劑凝結(jié)較慢，可提供的預(yù)緊力較小。為減小頂板變形量，較快提供較高的錨桿預(yù)緊力，建議后續(xù)頂板錨桿施工使用雙速錨固劑，即CK2360樹脂藥卷、Z2360樹脂藥卷各1支。幫錨桿采用1支CK2360型或Z2380型樹脂藥卷時，錨固力分別為69 kN、104.9 kN，幫錨桿采用Z2380型樹脂藥卷較合理。

2.2 錨索錨固性能測試

頂板錨索及幫錨索為直徑17.8 mm的1×7 股低松弛鋼絞線?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明：頂板錨索合理的錨固劑類型為兩支CK2360型和1支Z2380型樹脂藥卷，錨固力基本達(dá)到350 kN，對錨索施加預(yù)緊力可達(dá)250 kN，頂板巖層較堅硬完整，錨固性能良好。后續(xù)可對頂板錨索長度進(jìn)行優(yōu)化，降低巷道支護(hù)施工難度和成本。幫錨索合理的錨固劑類型為1支CK2360型和1支Z2380型樹脂藥卷，錨固力達(dá)到250 kN左右，錨索預(yù)預(yù)緊力可設(shè)計為150 kN.

3 8129 工作面進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)參數(shù)模擬研究

為對錨桿、錨索布置參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，通過FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計算[1-2]，對不同支護(hù)條件下圍巖變形量進(jìn)行分析。為杜絕模型邊界對數(shù)值模擬結(jié)果可靠性的干擾，設(shè)計三維模型尺寸寬、高、厚為80 m、60 m、6 m，數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型示意

結(jié)合8129進(jìn)風(fēng)巷初掘期間圍巖變形特征，及現(xiàn)場拉拔試驗測試結(jié)果，初步擬定5組支護(hù)方案。各方案參數(shù)見表1.各方案中，頂板錨桿預(yù)緊力為60 kN，頂板錨索預(yù)緊力150 kN，幫錨桿預(yù)緊力40 kN，幫錨索預(yù)緊力100 kN，錨桿、錨索均垂直頂板或巷幫施工，采用 Cables 結(jié)構(gòu)單元模擬錨桿和錨索。模擬錨桿、錨索尺寸、力學(xué)特征的變化，在不同支護(hù)方案條件下進(jìn)行回風(fēng)巷的開挖支護(hù)，整理得到圖3所示結(jié)果。

圖3 圍巖變形量數(shù)值模擬結(jié)果

表1 初設(shè)支護(hù)方案參數(shù)詳情

分析可知，方案1至方案5主要變化為錨桿錨索的支護(hù)密度逐步減小，巷道表面變形量呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。方案1至方案3條件下，巷道表面變形量整體處于較低水平，以變形最為突出的頂板下沉量為例，方案2與方案1相比僅增大5.7%，方案3相對于方案2僅增大14.8%，但方案4相對于方案3增幅達(dá)到51.2%，方案5條件下頂板下沉量進(jìn)一步急劇增大，方案4、5條件下，圍巖變形量較大，支護(hù)效果較差。綜上可知，支護(hù)方案3最為經(jīng)濟(jì)合理。

4 8129進(jìn)風(fēng)巷優(yōu)化支護(hù)方案及礦壓監(jiān)測

4.1 8129進(jìn)風(fēng)巷優(yōu)化支護(hù)方案

設(shè)計8129進(jìn)風(fēng)巷優(yōu)化后的支護(hù)方案如下：①頂板支護(hù)：選用MSGLW-500/20×2 000 mm螺紋鋼錨桿，托盤選用150 mm×150 mm×10 mm的碟形鋼托盤，錨固劑采用1支CK2360型和1支Z2380型樹脂錨固劑，預(yù)緊力60 kN，間排距0.9 m×1.0 m.錨索選用D17.8 mm×5 200 mm的鋼絞線，每根錨索使用2卷CK2360錨固劑和1卷Z2380錨固劑，預(yù)緊力150 kN，錨索托盤為300 mm×300 mm的碟形鋼托盤，托盤厚度為14 mm，錨索間排距為1.8 mm×1.0 mm.②左幫(右?guī)?錨桿規(guī)格同頂板，錨固劑選用Z2380樹脂藥卷，間排距1.0 m，錨索選用D17.8 mm×4 200 mm的鋼絞線，錨固劑采用1支CK2360型和一支Z2380型樹脂錨固劑，間排距1.4 m×2.0 m.③頂板、左幫使用D5 mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格2 200 mm×1 100 mm.右?guī)途W(wǎng)片使用煤礦井下用塑鋼復(fù)合網(wǎng)，規(guī)格為JD GS+PVC 4000MS 1 200 mm.④網(wǎng)片搭接方式為綁扎搭接，壓茬100 mm，壓茬處每隔200 mm用16號雙股鐵絲“三花”布置綁扎，擰結(jié)量不得少于3圈，網(wǎng)片要鋪平，鋪展緊貼巖(煤)面。

4.2 礦壓監(jiān)測結(jié)果

為了檢驗8129進(jìn)風(fēng)巷優(yōu)化支護(hù)方案的支護(hù)效果，采用上述支護(hù)方案繼續(xù)掘進(jìn)期間進(jìn)行礦壓監(jiān)測，主要內(nèi)容為十字布點法監(jiān)測圍巖變形量、頂板離層儀監(jiān)測離層量、液壓枕監(jiān)測錨索載荷[3-4]，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)整理得到圖4所示結(jié)果，根據(jù)圖4(a)、(b)分析可知，距迎頭距離大于80 m后圍巖表面變形量基本保持不變，頂板累計下沉量為86 mm，底板累計底鼓量為67 mm，煤柱幫累計內(nèi)移量為152 mm，回采幫累計內(nèi)移量84 mm，圍巖累計變形量較小，圍巖變形量整體小于原支護(hù)方案，尤其回采幫減小量為250～350 mm.根據(jù)圖4(b)、(c)所示結(jié)果分析可知，頂板離層主要發(fā)生在距迎頭60 m范圍內(nèi)，支護(hù)頂板趨于穩(wěn)定，最大離層值為22 mm，頂板離層控制效果良好；頂板錨桿、錨索載荷在距迎頭60 m處基本保持穩(wěn)定，頂板錨索最大載荷約為241 kN，頂板錨桿最大載荷為61 kN，均在其設(shè)計承載能力范圍內(nèi)，錨桿、錨索工作狀態(tài)良好。綜上可得，優(yōu)化后的支護(hù)方案有效控制8129進(jìn)風(fēng)巷圍巖的變形破壞，能夠為后續(xù)工作面的回采提供足夠的空間以及安全保證。

圖5 礦壓監(jiān)測結(jié)果