異形斷面短臂梁卸壓效應模擬分析

唐文勝　張國鋒　劉小強　張世源

摘要：為解決小河嘴煤礦留煤垛護巷礦壓顯現劇烈的難題，文章對工作面回采后巷道頂板支承結構進行了分析，采用FLAC 2D數值軟件模擬了普通爆破與定向聚能爆破效果，然后對小河嘴礦2012工作面風巷進行了巷旁留煤垛護巷與卸壓短臂梁沿空留巷模擬對比研究，提出了小河嘴煤礦2018工作面運輸巷卸壓短臂梁沿空留巷工藝。

關鍵詞：異形斷面；聚能爆破；卸壓短臂梁；沿空留巷；工作面回采；巷道頂板支承 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD323 文章編號：1009-2374（2016）09-0162-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.080

1 概述

小河嘴煤礦開采深度為500～600m，該水平煤層均為近距離傾斜煤層，兩主采煤層間距平均為0.66～1.93m。其中2014工作面在煤層回采過程中采用留煤垛護巷沿空留巷方式，工作面回采過后，用矸石砌筑封堵豁口，減少漏風。采用該方式留巷后煤墩及矸石砂漿帶出現巷旁充填體壓裂、片幫、底鼓等現象，但采用留設煤墩支護方式由于工作面回采后頂板垮落不充分，懸頂嚴重，頂板形成長臂梁結構，以煤垛和矸石砂漿帶及巷道實體煤幫作為支承體，上覆巖層重力在煤垛和矸石砂漿帶形成應力集中，并在巷道周圍形成劇烈的礦山壓力顯現，巷道填充體發生破裂，頂板破碎，底臌和片幫嚴重，多處錨索出現失效的現象，需進行二次返修，但返修工程量大、成本高，在當前煤炭經濟不景氣的情況下，極為拖累企業效益。因此需要通過一定的技術手段將頂板長臂梁變為短懸臂梁，取消巷旁支承體，以期消除巷道周邊應力集中，實現巷道頂板、兩幫及底板卸壓。需要進行近距離大傾角煤層切頂卸壓沿空留巷技術實踐，以期實現無巷旁充填沿空留巷。卸壓短臂梁沿空留巷是在本工作面回采同時，采用定向預裂爆破切頂、巷內支護等技術手段，沿空自動成巷。因此，本文用FLAC 2D數值模擬軟件，研究普通爆破與定向預裂聚能爆破效果，卸壓短臂梁聚能爆破孔最佳深度，研究分別采用留煤垛護巷及卸壓短臂梁沿空留巷一系列技術手段對工作面回采礦壓分布影響、其圍巖在本工作面回采時受采動及老頂周期來壓等影響因素下變形與穩定情況，得出留煤垛護巷及切頂卸壓自動成巷礦壓顯現規律，并進行模擬結果對比分析，提出2012工作面切頂短臂梁設計方案并進行現場工程應用。

2 數值模擬分析

2.1 礦井概況

小河嘴煤礦卸壓短臂梁留巷位于201采區南翼2012工作面。北以工作面保安煤柱為界。南以開切眼為界，走向長為754m，傾向長為114m，煤層平均傾角為25°。工作面煤層平均厚度為0.35～0.57m，煤層采高為0.5m，直接頂為灰色粉砂質泥巖，局部存在偽頂，厚度為5.2m，底板為深灰色泥質砂巖，節理發育，厚度為5.46m。2012工作面采用走向長壁后退式綜合機械化采煤法。工作面初次來壓步距為25～30m，工作面周期來壓不顯現。

2.2 切頂支護數值模擬

2.2.1 常規爆破與雙向聚能爆破效果模擬。采用FLAC 2D數值模擬方法進行常規爆破與雙向聚能爆破效果模擬分析。常規爆破和聚能爆破的破巖效果的數值模擬結果。相比常規爆破，聚能爆破破巖能力提高50%以上，同時抑制其他方向裂紋的擴展，破碎圈范圍減小30%以上，可有效減少圍巖的爆破損傷，提高巷道成型質量。

2.2.2 卸壓短臂梁聚能爆破孔合理深度模擬。由FLAC 2D數值模擬切縫深度模擬結果可知切縫深度為4m時，頂底板及兩幫位移量最小，塑形破壞區區范圍最小，塑形破壞程度最低，應力集中程度最低，短臂梁卸壓效果最明顯，因此最佳切縫深度為4m。

2.2.3 留煤垛護巷方式與切頂留巷方式模擬。對2014工作面留煤垛護巷方式和2012工作面卸壓短臂梁留巷方式進行對比模擬分析。巷道幾何模型、地質界面的生成均在FLAC 2D中形成，根據2118工作面煤巖柱狀圖，通過室內實驗得出。

留煤垛護巷模擬效果：由于巷道頂板垮落后形成長臂梁支承結構，有塑性變形可以看出異形斷面巷道高幫側頂板出現拉伸和剪切破壞，造成巷道頂板垮落下沉，未垮落的已形成擠壓外鼓，高幫肩部煤垛及矸石砂漿構筑的充填體來壓明顯，破壞嚴重，巷道高幫沿空側片幫鼓出嚴重，變形量大，巷道低幫出現應力集中嚴重，極易出現片幫、炸幫等破壞現象。卸壓短臂梁沿空留巷模擬效果：通過在巷道頂板及表面布置測點結合數值模擬垂直位移對2012工作面運輸巷進行位移模擬觀測，結果顯示頂板淺部最大離層為15cm，深部最大離層為12cm；巷道頂板表面最大變形量為44cm，平均為13cm；兩幫表面測點移近量為28cm。由于巷道頂板垮落后形成短臂梁支承結構，可以看出巷道頂板垮落下沉量明顯減小、表面剪切拉伸變形破壞減弱、高幫片幫現象消失。

3 工程應用

3.1 切頂卸壓沿空留巷工藝

該技術的關鍵步驟是采用恒阻大變形錨索，卸壓短臂梁超前預裂爆破，采空側單體支護。根據數值模擬結果及得出的巷道礦壓顯現規律，設計2012工作面運輸巷沿空留巷設計參數。運輸巷巷道斷面為異形斷面：下寬為3.0m，巷道中高為2.5m。支護方式為錨桿+恒阻大變形錨索支護+鋼筋梯+鋼筋網聯合支護形式。

3.1.1 切縫爆破參數：（1）超前工作面20m進行預裂爆破，具體參數為炮孔距煤壁為200mm，炮孔間距為600mm，炮孔深度為4m，傾角與垂線成20°傾向采空區；（2）聚能管長度為1m，內徑為35mm，外徑為42mm，聚能孔間距為4mm，每孔安裝兩根聚能管；（3）炸藥采用煤礦用三級水膠炸藥，炸藥采用空氣間隔裝藥，裝藥形式為“3+3”方式，每根聚能管裝3根炸藥，采用黃泥封孔，封孔長度不得小于1.5m；（4）采用50mm鉆頭一次性成孔，炮孔要求筆直，有利于聚能管安裝，炮孔施工時要嚴格控制炮孔的傾斜角度，鉆孔完成后需進行炮孔傾斜角度和炮孔平直度評估，保證爆破能量沿著巷道方向進行。

3.1.2 錨索補強支護參數。在原有支護基礎上，補打恒阻錨索進行補強支護：（1）錨索L6300mm×Φ15.24mm，錨固劑采用中速藥卷，藥卷數量不得少于3根，采用300mm×300mm托盤，厚度10mm，中間留設60mm孔；（2）巷道布置雙排錨索，采空區側錨索排距為1.6m，巷道中央錨索排距為2.4m。

3.1.3 卸壓短臂梁動壓支護參數：（1）超前工作面20m范圍內用HDJA-1000金屬鉸梁配合DZ18-25/80單體液壓支柱加強支護，設置雙排單體支柱，間排距為1m×1m；（2）工作面后20m內，采用加密單體支護支柱方式支護，共設置3排單體支柱，單體支柱間距為1m。采空側單體支柱間距為500mm，單體支柱之間加設工字鋼，同時在單體支柱外側鋪設方形鋼筋網用于擋矸，單體柱采用“兩柱一梁”形式，鋼梁為1.2m長鉸接梁，其余兩排單體排距為1m；（3）液壓單體支柱的初撐力不得小于25MPa。

3.2 切頂卸壓沿空留巷效果

通過對頂板離層和巷道變形觀測顯示，頂板最大離層量為17cm，頂板局部發生破碎，但最大沉降量為42cm，平均僅為14cm；巷道幫部移近量為21cm。工作面推過40m以后，巷道變形基本穩定，監測數據穩定。監測站監測結果與模擬測點監測結果基本一致，較好地揭示了切頂短臂梁巷道礦壓顯現規律。巷道斷面較為穩定，斷面高度1.7m，可以行人，能滿足Y型通風需要。

4 結語

小河嘴煤礦采用卸壓短臂梁留巷技術取得顯著效果：（1）改變通風方式，由原來U型通風改為Y型通風，避免了由于煤柱留設造成瓦斯突出，降低上隅角瓦斯超限的風險；（2）由于卸壓短臂梁技術為無煤柱開采，減少由于煤柱留設造成的應力集中，巷道變形小，保持巷道穩定，減少了底臌、頂板破碎等情況，減少二次返修，利于安全生產，具有很好的社會效益；（3）返修量小，且降低返修成本，同時避免返修期間窩工情況，提高勞動生產率，由于無煤柱開采減少煤炭資源的浪費，具有很好的經濟效益。

參考文獻

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（責任編輯：秦遜玉）