兩渡煤業(yè)21018回采巷道圍巖控制技術(shù)研究及應(yīng)用

李峰峰

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)兩渡煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 晉中 032000)

基于我國的基本國情,煤炭資源在我國一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中一直占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]。隨著近年來煤炭開采技術(shù)及設(shè)備的不斷提升,煤炭開采強(qiáng)度、深度不斷增大,如何安全、高效的進(jìn)行巷道支護(hù)成為了各大煤礦企業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)[3-5]。本文以兩渡煤業(yè)準(zhǔn)備掘進(jìn)的21018回采巷道為工程背景,對(duì)巷道圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 工程概況

兩渡煤業(yè)目前主采9號(hào)煤層,平均厚度1.18 m,平均傾角為2°.直接頂巖層為均厚1.25 m的泥巖,老頂巖層為均厚5.6 m的石灰?guī)r,直接底巖層為均厚2.0 m的砂質(zhì)泥巖,老底巖層為均厚3.8 m的泥巖。9號(hào)煤層及其頂?shù)装鍘r層厚度如表1所示。

表1 9號(hào)煤層及其頂?shù)装鍘r層厚度

目前,兩渡煤業(yè)準(zhǔn)備掘進(jìn)的21018回采巷道設(shè)計(jì)為矩形巷道,斷面尺寸為寬×高=4.0 m×3.2 m,為保證21018回采巷道支護(hù)效果,對(duì)其原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

為制定合理的巷道支護(hù)方案,借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件,對(duì)兩渡煤業(yè)21018回采巷道支護(hù)效果進(jìn)行分析,9號(hào)煤層及其頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 9號(hào)煤層及其頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)兩渡煤業(yè)9號(hào)煤層地質(zhì)條件構(gòu)建數(shù)值模型,模型尺寸為長×寬×高=270 m×144 m×50 m,上表面直接15.6 MPa的垂直應(yīng)力,其余各表面均施加位移約束。

2.1 原支護(hù)方案支護(hù)效果

21018回采巷道原設(shè)計(jì)采用錨桿(索)聯(lián)合支護(hù)的方式,頂板采用Φ20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距為1 000 mm×1 000 mm,邊錨桿與豎直方向夾角為10°.錨索為Φ18.9 mm×7 300 mm的普通鋼絞線,兩幫選用Φ18 mm×1 800 mm的右旋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿,間排距為1 000 mm×1 000 mm,為保證巷道圍巖的整體支護(hù)效果,巷道頂板及兩幫均鋪設(shè)金屬網(wǎng)。巷道原支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 21018回采巷道原支護(hù)方案(單位:mm)

在原支護(hù)設(shè)計(jì)條件下,巷道圍巖應(yīng)力分布、位移及塑性區(qū)范圍如圖2所示。

圖2 原支護(hù)方案支護(hù)效果

如圖2所示,在原支護(hù)方案條件下,巷道水平應(yīng)力最大值為7.65 MPa,呈拋物線分布特點(diǎn),垂直應(yīng)力最大值為15.51 MPa,巷道兩幫變形量最大值為546 mm,頂板下沉量最大值為271 mm.根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,巷道圍巖變形量較大,且塑性區(qū)范圍較大,一旦受到工作面回采動(dòng)壓的影響,極易導(dǎo)致巷道圍巖大變形甚至出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)等情況,從而引發(fā)安全事故。因此,需提升21018回采巷道的支護(hù)強(qiáng)度以保證現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)。

2.2 巷道支護(hù)方案優(yōu)化

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及鄰近礦井的支護(hù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)21018回采巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化,從提高支護(hù)強(qiáng)度的角度考慮,設(shè)計(jì)如下3種支護(hù)方案,如表3所示。

表3 優(yōu)化后支護(hù)方案

借助FLACD3D數(shù)值模擬軟件,對(duì)上述3種支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行分析研究,不同支護(hù)方案條件下,巷道圍巖應(yīng)力分布、位移及塑性區(qū)范圍如圖3～圖5所示。

圖3 不同方案條件下巷道圍巖應(yīng)力分布

圖4 不同方案條件下巷道圍巖位移分布

圖5 不同方案條件下巷道圍巖塑性區(qū)范圍

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,優(yōu)化后不同方案條件下巷道圍巖應(yīng)力及位移分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 各支護(hù)方條件下巷道圍巖應(yīng)力及位移分布

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,在方案2條件下,巷道圍巖變形仍然較大,頂板下沉量最大值為346.7 mm,兩幫移近量為70.2 mm,而且巷道兩幫出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,說明方案2并未有效約束巷道圍巖變形,巷道圍巖塑性區(qū)范圍仍然較大,在工作面采動(dòng)影響下巷道圍巖仍有失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。與方案2相比,方案1及方案3對(duì)巷道圍巖約束效果明顯更佳。對(duì)比分析方案1及方案3,方案3在方案1的基礎(chǔ)上,支護(hù)強(qiáng)度更大,但是巷道頂板下沉量最大值僅比方案1減小了0.4 mm,兩幫變形量最大值僅比方案1減小了2.6 mm,幾乎可以忽略不計(jì),但是支護(hù)成本卻比方案1增加許多。以21018回采巷道長度1 200 m計(jì)算,頂板錨桿方案3比方案1多使用約5 828根,幫錨桿方案3比方案1多使用5 142根,頂板錨索方案3比方案1多使用1 026根。因此,綜合考慮支護(hù)投入及支護(hù)效果,方案1為最優(yōu)支護(hù)方案。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證方案1的現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果,在21018回采巷道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),在方案1支護(hù)條件下,對(duì)巷道圍巖變形量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),在21018回采巷道掘進(jìn)工作面后方50 m及100 m位置布置兩個(gè)巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 21018回采巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,優(yōu)化后方案支護(hù)條件下,當(dāng)巷道圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)后,1號(hào)測(cè)點(diǎn)巷道頂板下沉量最大值為33.4 mm,兩幫變形量最大值為9.7 mm,2號(hào)測(cè)點(diǎn)巷道頂板下沉量最大值為32.6 mm,兩幫變形量最大值為7.8 mm,在巷道掘進(jìn)過程中巷道圍巖穩(wěn)定性良好,表明前述支護(hù)方案合理可行,可以對(duì)巷道圍巖起到有效的約束作用。

4 結(jié) 語

本文以兩渡煤業(yè)為工程背景,采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法,對(duì)21018回采巷道原有支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),得到以下結(jié)論:

1) 原支護(hù)方案支護(hù)強(qiáng)度較低,對(duì)巷道圍巖無法起到有效的約束作用,巷道圍巖變形量較大。

2) 在原有支護(hù)方案基礎(chǔ)上,增加支護(hù)密度,綜合考慮支護(hù)成本,優(yōu)化后的支護(hù)方案如下:頂錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2 500 mm,間排距為900 mm×700 mm,頂錨索規(guī)格為Φ18.9 mm×8 300 mm,間排距為1 600 mm×1 400 mm,幫錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2 200 mm,間排距為900 mm×700 mm.

3) 通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),優(yōu)化后的支護(hù)方案可有效約束巷道圍巖變形,巷道圍巖變形量不大,可滿足現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)需求。