大南湖一礦1303回風(fēng)平巷圍巖支護(hù)優(yōu)化研究

張澤泰

(國(guó)網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖一礦, 新疆 哈密 839000)

1 前言

確?；夭上锏绹鷰r穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)煤炭安全回采的前提條件,受水、采掘擾動(dòng)、圍巖巖性條件以及地質(zhì)構(gòu)造等多因素影響,圍巖容易變形甚至誘發(fā)冒頂問(wèn)題,影響采面煤炭開(kāi)采[1-3]。分析影響巷道圍巖變形因素并針對(duì)性提出優(yōu)化方案,有助于提升圍巖控制效果,為此眾多學(xué)者對(duì)圍巖支護(hù)優(yōu)化技術(shù)展開(kāi)研究,其中薛峰[4]針對(duì)霍爾辛赫礦3501巷圍巖受力及變形規(guī)律,提出巷道頂板、巷幫錨網(wǎng)索補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)方案,現(xiàn)場(chǎng)取得較好補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果;申和欣等[5]針對(duì)2021E工作面回采巷道原支護(hù)條件下圍巖變形量大問(wèn)題,依據(jù)錨桿-錨索圍巖控制機(jī)理及數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,工程應(yīng)用后換到高頂板底板、巷幫變形最大量分別控制在353 mm、151 mm以內(nèi),滿足了工作面回采需要;畢海鵬[6]針對(duì)大斷面泥巖頂?shù)装逑锏绹鷰r變形大問(wèn)題,提出采用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿+單體錨索、錨索桁架+W鋼帶+槽鋼組合方式對(duì)圍巖支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化;馮云貴等[7]以水峪礦十采區(qū)運(yùn)輸大巷為研究對(duì)象,在對(duì)圍巖變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基礎(chǔ)上,提出以約束混凝土+注漿錨索為核心控制圍巖變形;孫志勇等[8]對(duì)提出綜合DIP(數(shù)字圖像處理)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)及理論分析等對(duì)巷道圍巖鉆孔窺視及強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分析,為圍巖力學(xué)強(qiáng)度判定、巖體內(nèi)部成分差異及宏觀缺陷分析等提供了新的分析方法。文中就以大南湖一號(hào)礦1303工作面回風(fēng)平巷圍巖控制為工程背景,結(jié)合以往研究成果[9-12]以及回風(fēng)平巷現(xiàn)場(chǎng)條件、圍巖變形特征等針對(duì)性提出圍巖優(yōu)化支護(hù)方案,實(shí)現(xiàn)了回風(fēng)平巷圍巖變形的有效控制。

2 工程概況

2.1 地質(zhì)概況

大南湖一號(hào)礦井井田南北長(zhǎng)9.4 km,東西寬8 km,面積約75.28 km2,井田內(nèi)主要含煤層段含煤層共計(jì)29層,可采煤層23層,煤層平均厚度96.49 m,地質(zhì)儲(chǔ)量54.14億t,可采儲(chǔ)量為29.36億t,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 000萬(wàn)t/年。1303工作面位于采區(qū)西翼,工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 118 m﹙平距﹚,傾向長(zhǎng)度為 240 m,采用一進(jìn)一回的U型通風(fēng)方式。1303工作面南北兩側(cè)分別為1301采空區(qū)、圈定的1305工作面,留設(shè)的保護(hù)煤柱寬度分別為18 m、30 m,具體工作面位置關(guān)系如圖1所示。1303工作面采用綜放開(kāi)采工藝,全部垮落法管理頂板,采煤機(jī)采高度為2.8 m,放煤高度為3.2 m,采放比為1∶1.15,循環(huán)進(jìn)尺0.8 m。

圖1 工作面位置示意圖

1303工作面回采的3#煤層埋深約300 m,煤層平均厚6.04 m,為較穩(wěn)定煤層,煤層為I類(lèi)自燃煤層,煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。3#煤頂?shù)装鍘r體軟化系數(shù)為0.1,其中直接頂為厚4.94 m的泥巖、粉砂巖,質(zhì)地較軟;直接底為厚0.62 m泥巖;基本底為厚1.07 m粉砂巖,巖性較軟。V3含水層3#煤層回采期間的的直接充水含水層,該含水層位于3#煤頂板約18 m位置,巖性為粗、中砂巖,厚度約為11 m,裂隙發(fā)育,為弱含水層。

2.2 回風(fēng)平巷支護(hù)參數(shù)

1303回風(fēng)評(píng)巷設(shè)計(jì)為矩形斷面,采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式,巷道支護(hù)斷面如圖2所示。圍巖支護(hù)參數(shù)為:

圖2 回風(fēng)平巷支護(hù)斷面圖

(1)頂板支護(hù)參數(shù):頂板每排6根錨桿規(guī)格φ20 mm×2 500 mm螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×900 mm,頂板兩側(cè)錨桿向外插20°～30°,其他錨桿垂直支護(hù);頂板每排兩根規(guī)格φ17.80 mm×8 000 mm鋼絞線錨索,間排距為3 000 mm×2 600 mm。

(2)巷幫支護(hù)參數(shù):采面幫用規(guī)格φ20 mm×2 200 mm玻璃鋼錨桿,煤柱幫用φ20 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿,間排距為均為1 000 mm×900 mm,巷幫每排4根錨桿,巷幫靠頂板側(cè)錨桿外插20°～30°、靠底板側(cè)錨桿外插45°,其他錨桿垂直巷幫布置。

(3)底板支護(hù)參數(shù):底板鋪設(shè)厚200 mm的強(qiáng)度C20混凝土。

2.3 巷道圍巖變形情況

1303回風(fēng)平巷使用期間存在圍巖較破、碎頂煤離層、底鼓、變形破壞嚴(yán)重等問(wèn)題,特別是巷道上幫肩角變形量大,甚至存在有頂板冒頂風(fēng)險(xiǎn),具體回風(fēng)平巷現(xiàn)場(chǎng)情況如圖3所示。巷道頂?shù)装濉⑾飵妥冃瘟靠煞謩e達(dá)到667 mm、445 mm,同時(shí)工作面幫位移量明顯較煤柱幫大;巷道底鼓量較大,頂板局部出現(xiàn)網(wǎng)兜情況。回風(fēng)平巷道圍巖變形量大嚴(yán)重影響工作面正?；夭?因此需要結(jié)合1303工作面回風(fēng)平巷現(xiàn)場(chǎng)條件針對(duì)性對(duì)巷道圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 1303回風(fēng)平巷現(xiàn)場(chǎng)圖

3 回風(fēng)平巷圍巖變形原因分析

3.1 回風(fēng)平巷圍巖內(nèi)部裂隙分布分析

采用鉆孔窺視技術(shù)分析回風(fēng)平巷圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)展、分布狀態(tài)情況,可掌握巷道圍巖內(nèi)部的破壞程度及破壞縱向范圍,并可為后續(xù)巷道支護(hù)優(yōu)化提供。

1)回風(fēng)平巷采面幫鉆孔窺視分析

工作面幫鉆孔窺視結(jié)果如圖4所示。在0～1.5 m孔壁圖像如圖4a所示,此范圍內(nèi)裂隙發(fā)育、孔壁破碎、巷幫煤體在長(zhǎng)時(shí)間壓力作用下出現(xiàn)破壞情況,承載能力較差;1.5～4 m孔壁圖像如圖4b所示,孔壁表明裂隙發(fā)育、整體較為破碎,同時(shí)孔壁裂隙呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì),縫隙有水滲出;4～5.5 m孔壁圖像如圖4c所示,孔壁煤體較完整、部分位置凹凸不平;孔深超過(guò)6 m后孔壁裂隙不發(fā)育、平滑。

圖4 工作面幫窺視圖像

2)回風(fēng)平巷煤柱幫鉆孔窺視分析

煤柱幫鉆孔窺視結(jié)果如圖5所示。0～1.5 m孔壁圖像如圖5a所示,孔壁裂隙發(fā)育,煤巖體承載能力差、圍巖連續(xù)控制效果不佳;2～3 m孔壁圖像如圖5b所示,孔壁四周裂隙發(fā)育、有塌落現(xiàn)象,巖體破碎、抗變形能力差;3～6.5 m孔壁裂隙發(fā)育,在覆巖應(yīng)力作用下變形量較大;孔深8～9 m發(fā)育有縱橫交錯(cuò)裂隙,具體如圖5c所示,裂隙中有少量水涌出。

圖5 煤柱幫鉆孔窺視圖像

3)回風(fēng)平巷頂板鉆孔窺視分析

窺視發(fā)現(xiàn)頂板淺部0～2.9 m孔壁裂隙發(fā)育、巖體破碎,2.9～6.5 m孔壁光滑、發(fā)育有少量交錯(cuò)裂隙、巖體完整性較好。

3.2 模擬分析

1303工作面涌水量最大可達(dá)到200 m3/h,同時(shí)窺視鉆孔發(fā)現(xiàn)回風(fēng)平巷圍巖裂隙出現(xiàn)淋水情況,為此使用FLAC3D軟件分析涌水對(duì)巷道變形影響,具體模擬采用的圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。模擬結(jié)果如圖6所示。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

圖6 回風(fēng)平巷涌水模擬結(jié)果

從模擬結(jié)果看出:①回風(fēng)平巷掘進(jìn)后圍巖滲流平衡場(chǎng)被打破,水平矢量箭頭方向均指向回風(fēng)平衡,表明涌水是影響回風(fēng)平巷圍巖變形的一個(gè)重要因素;②鄰近的1301工作面回采后,回風(fēng)平巷水平矢量箭頭有所增大,主要是在采動(dòng)影響下回風(fēng)平巷圍巖變形量增大,從而導(dǎo)致圍巖涌出量有所增大,但是水平矢量箭頭增大幅度相對(duì)較小;③無(wú)論鄰近的1301工作面是否回采,回風(fēng)平巷涌水均是采面幫大于煤柱幫;④回風(fēng)平巷涌水量較大,容易出現(xiàn)積水,同時(shí)由于巷道圍巖為遇水容易膨脹、泥化及崩解的軟巖(巷道圍巖軟化系數(shù)平均為0.1),回風(fēng)平巷涌水會(huì)明顯減低圍巖承載能力,進(jìn)而影響圍巖變形控制效果。因此,水是影響回風(fēng)平巷圍巖控制效果的關(guān)鍵因素之一。

3.3 巷道變形原因分析

結(jié)合1303回風(fēng)平巷現(xiàn)場(chǎng)條件、圍巖變形特征、鉆孔窺視成果以及回風(fēng)平巷涌水模擬結(jié)果等,認(rèn)為回風(fēng)平巷圍巖變形量較大的主要因素為:

(1)軟巖物理力學(xué)性質(zhì)影響。巖性是巷道保持穩(wěn)定的基本因素,3#煤層圍巖巖性較軟,易風(fēng)化,遇水易泥化,崩解等不良性質(zhì),抗壓強(qiáng)度為13 MPa,不利于巷道的穩(wěn)定。

(2)煤柱應(yīng)力集中。1303回風(fēng)平巷區(qū)段煤柱應(yīng)力集中,容易導(dǎo)致巷道出現(xiàn)不對(duì)稱變形,增大圍巖變形量。

(3)地下水的影響。3#煤層受V3含水層影響,結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)巷道涌水分析得出地下水在巷道工作面幫側(cè)涌出量大,巷道底板巖性為泥巖、煤,軟化系數(shù)為0.1,加劇了巷道工作面幫側(cè)的變形。

(4)采動(dòng)影響。1301工作面回采后煤柱應(yīng)力集中,1303回風(fēng)平巷塑性區(qū)面積增大而破壞嚴(yán)重。

(5)支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理。巷道支護(hù)形式單一,且為一次支護(hù),不適應(yīng)圍巖變形要求;底板無(wú)支護(hù),同時(shí)底板巖體抗壓強(qiáng)度較低,導(dǎo)致巷道底鼓嚴(yán)重。通過(guò)上述分析,對(duì)于巷道支護(hù)方案應(yīng)以提高圍巖抵抗變形的能力,加強(qiáng)底板支護(hù),對(duì)巷道應(yīng)進(jìn)行注漿,加長(zhǎng)錨桿支護(hù)。

4 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用分析

4.1 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

1)錨桿及錨索長(zhǎng)度確定

①錨桿長(zhǎng)度

錨桿長(zhǎng)度L公式為

L≥L1+L2+L3

(1)

式中:L1——錨桿外露長(zhǎng)度,取0.05 m;

L2——有效長(zhǎng)度,m;

L3——端頭錨固長(zhǎng)度,取0.45 m。

L2依據(jù)鉆孔窺視成果確定,鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)頂板冒落高度2.4 m,煤柱幫及工作面幫松動(dòng)范圍分別為2.9 m、2.7 m,因此取L2=2.9 m。求得L=3.4 m。

②錨索長(zhǎng)度

錨索長(zhǎng)度Lm公式為

Lm≥La+Lb+Lc+Ld

(2)

式中:La——錨索在穩(wěn)定巖層內(nèi)長(zhǎng)度,取1.9 m;

Lb——頂板塑性區(qū),取6.5 m;

Lc——錨具厚度,取0.20 m;

Ld——外露長(zhǎng)度,取0.30 m。求得Lm=9 m。

2)巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

針對(duì)1303回風(fēng)平巷圍巖地質(zhì)情況,通過(guò)研究對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,共提出兩種優(yōu)化支護(hù)方式,分別為方案一:錨桿+錨索+金屬網(wǎng)、方案二:錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+注漿,并通過(guò)數(shù)值模擬方式對(duì)優(yōu)化支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)選。具體支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2,支護(hù)斷面如圖7所示。

表2 巷道優(yōu)化參數(shù)

圖7 優(yōu)化后巷道斷面設(shè)計(jì)

4.2 巷道支護(hù)優(yōu)化方案優(yōu)選

采用FLAC3D軟件模擬分析1303工作面回風(fēng)平巷在不同支護(hù)方案下的塑形區(qū)、變形情況,確定最佳巷道支護(hù)方案。建立的模擬模型傾向、走向以及垂高分別為40 m、5 m、45 m,固定模型底板及兩側(cè)邊界,上部為自由邊界且均勻施加豎向載荷。

4.2.1 塑性區(qū)分析

具體不同支護(hù)方案下回風(fēng)平巷塑性區(qū)分布情況如圖8所示,塑性區(qū)面積變化對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)合圖8及表3得知。

表3 圍巖塑性區(qū)面積

圖8 塑性區(qū)對(duì)比圖

(1)相比現(xiàn)支護(hù)方式,采用方案一時(shí)圍巖塑性區(qū)范圍及面積均明顯減低,工作面幫塑性區(qū)深度由5.0 m降至1.5 m,底板塑性區(qū)由4 m降2 m,僅錨桿端出現(xiàn)塑性區(qū),表明方案一能發(fā)揮圍巖抗變形能力。

(2)采用第二種支護(hù)方式時(shí)回風(fēng)平巷除了底板外,周?chē)苄詤^(qū)深度在1 m之內(nèi),底板破壞范圍較大,為2 m;與方案一相比,錨桿端部不存在塑性區(qū),且巷幫塑性區(qū)分布對(duì)稱、塑性區(qū)面積由19 m2降至11 m2?；仫L(fēng)平巷隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加,塑性區(qū)面積在急劇減小。

4.2.2 垂向位移分析

具體不同支護(hù)方案下回風(fēng)平巷垂向位變化情況如圖9所示,圍巖垂向位移量見(jiàn)表4。結(jié)合圖9及表4得知:

表4 垂向位移

圖9 垂向位移

(1)相比現(xiàn)支護(hù),采用方案一時(shí)回風(fēng)平巷頂板下沉點(diǎn)變化不明顯、底鼓最大點(diǎn)向采面幫移動(dòng),頂板下沉量由390 mm降至290 mm,底鼓量由263 mm降至88 mm。

(2)采用第二種支護(hù)方式時(shí)巷道頂板下沉量降至113 mm、底板底鼓量降至15 mm,與方案一相比頂板下沉量及底鼓量分別減小了177 mm、73 mm,表明注漿可有效提高巷道圍巖整體強(qiáng)度、降低水對(duì)回風(fēng)平巷圍巖變形影響。

4.2.3 水平位移分析

具體不同支護(hù)方案下回風(fēng)水平位移變化情況如圖10所示,圍巖水平位移量見(jiàn)表5。結(jié)合圖10及表5得知:

表5 水平位移

圖10 水平位移

(1)相比現(xiàn)支護(hù),采用方案一時(shí)工作面幫水平位移量由310 mm降至164 mm,煤柱幫由199 mm降至160 mm,兩幫水平位移量較為接近。

(2)巷道頂板采面幫、煤柱幫位移量分別降至43 mm、39 mm,與方案一相比采面幫、煤柱幫位移量分別減小了121 mm、121 mm,表明注漿可有效提高巷道圍巖整體強(qiáng)度、降低水對(duì)回風(fēng)平巷圍巖變形影響。

綜上所述,1303回風(fēng)平巷采用方案二時(shí),巷道圍巖變形減小較為明顯,較現(xiàn)支護(hù)方式頂板、底板、工作面幫及煤柱幫分別減少了277 mm、248 mm、267 mm、160 mm;通過(guò)比對(duì)分析得出,1303工作面回風(fēng)順槽在應(yīng)力集中、水綜合作用下,僅通過(guò)錨網(wǎng)索支護(hù)無(wú)法做到有效控制圍巖變形目的,需對(duì)圍巖進(jìn)行注漿。因此,1303回風(fēng)平巷圍巖支護(hù)優(yōu)化方案采用方案二,即錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+注漿加強(qiáng)支護(hù)方式。

4.3 工程應(yīng)用效果分析

1303回風(fēng)平巷原支護(hù)條件下頂?shù)装灏濉⑾飵妥冃瘟孔畲蠓謩e為667 mm、445 mm,無(wú)法滿足使用需要。在1303回風(fēng)平巷圍采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+注漿加強(qiáng)支護(hù)方式對(duì)圍巖支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化,回風(fēng)平巷支護(hù)10 d后圍巖變形基本穩(wěn)定,頂?shù)装?、巷幫變形量最大分別為182 mm、63 mm,變形量較原支護(hù)方式分別降低72.7%、85.8%,圍巖控制效果顯著。

5 結(jié)論

針對(duì)大南湖一礦1303回風(fēng)平巷圍巖不對(duì)稱變形進(jìn)行研究,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形特征、鉆孔窺視、模擬分析等分析回風(fēng)平巷圍巖變形原因,并具體給出支護(hù)優(yōu)化方案,具體取得以下成果:

(1)1303回風(fēng)平巷圍巖變形量大的主要原因?yàn)?①圍巖淋水,巖體松軟、遇水易軟化、泥化,煤柱應(yīng)力集中、底板支護(hù)強(qiáng)度低;②巷道原有支護(hù)參數(shù)不合理,錨桿及錨索支護(hù)效果差。

(2)結(jié)合鉆孔窺視成果及圍巖巖性、淋水情況等,提出兩種圍巖支護(hù)優(yōu)化方案(錨桿+錨索+金屬網(wǎng)基本支護(hù)方式、錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+注漿加強(qiáng)支護(hù)方式)并通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)巷道支護(hù)優(yōu)化方案進(jìn)行優(yōu)選,最終確定通過(guò)增大錨桿、錨索長(zhǎng)度及支護(hù)密實(shí)提高圍巖支護(hù)強(qiáng)度并結(jié)合圍巖注漿降低淋水對(duì)巷道支護(hù)影響方式支護(hù)圍巖。

(3)監(jiān)測(cè)優(yōu)化巷道圍巖變形發(fā)現(xiàn),頂?shù)装?、巷幫最大收斂量分別為182 mm、63 mm,回風(fēng)平巷圍巖穩(wěn)定且變形量較小,可避免工作面回采期間巷道頻繁修整維護(hù)等問(wèn)題,表明優(yōu)化后的巷道支護(hù)圍巖控制效果顯著。