采動影響下車場交岔巷道支護方案模擬與應用

崔林柱

（西山煤電集團馬蘭礦,山西 古交 030205)

1672-5050（2017)05-0038-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.10.010

2017-08-15

崔林柱（1976-),男,山西繁峙人,碩士研究生,工程師,從事采礦技術管理工作。

采動影響下車場交岔巷道支護方案模擬與應用

崔林柱

（西山煤電集團馬蘭礦,山西 古交 030205)

針對車場復雜交錯巷道的圍巖穩(wěn)定性差的問題,以晶鑫煤礦二采區(qū)車場為研究對象,根據(jù)其實際地質條件和生產(chǎn)條件提出了“錨桿+錨索+網(wǎng)+鋼梁”聯(lián)合支護方案,并通過數(shù)值模擬技術和現(xiàn)場監(jiān)測結果進行了分析。分析表明,所提出的圍巖控制支護結構位于圍巖承載區(qū)的穩(wěn)定巖層位置,可與圍巖承載體共同起到良好的支護作用,能夠充分發(fā)揮破碎巖體的錨固作用,對車場巷道變形的控制效果是顯著的,可為其他類似條件下的礦井巷道支護提供參考。

聯(lián)合支護;交錯巷道;圍巖控制;數(shù)值模擬

工作面在回采過程中,在受采動影響的條件下,巷道圍巖體的應力狀態(tài)發(fā)生明顯變化,并呈現(xiàn)出顯著的不均勻應力分布狀態(tài),從而造成巷道發(fā)生變形破壞,給生產(chǎn)帶來冒頂或片幫的嚴重安全隱患[1-2]。

對于軟巖交叉巷道而言,由于巷道斷面積相對較大,再加應力集中明顯,經(jīng)常導致交叉點圍巖體失穩(wěn),屢屢翻修支護,不僅浪費人力物力,而且還給生產(chǎn)帶來安全隱患[3-4]。深部軟巖交岔巷道的原巖各應力均大于圍巖強度,當開挖完成后,巷道圍巖應力場二次重新分布,形成新的地應力場[5-6]。本文以晶鑫煤礦為工程背景,提出交錯巷道在受采動影響下的支護優(yōu)化方案,利用數(shù)值模擬方法和現(xiàn)場應用進行效果分析,為類似工程提供參考。

1 晶鑫煤礦概況

晶鑫煤礦井田面積5.132 5 km2,采用斜井開拓,礦井通風方式為中央分列抽出式,開采深度+670 m～470 m標高,主采3號煤層,生產(chǎn)能力為60萬t/a。工作面采用走向長壁綜采放頂煤采煤法,全部垮落法管理頂板。

全礦井共劃分3個采區(qū),一采區(qū)（井田中部已采空)、二采區(qū)（井田西部現(xiàn)開采)、三采區(qū)（整合清林溝井田,接替采區(qū))。二采區(qū)3號煤層厚度5.55 m～6.55 m,平均厚6.02 m,煤層傾角1°～3°。該煤層常有薄層炭質泥巖偽頂,偽頂平均厚0.59 m;直接頂板多為灰黑色粉砂巖或細砂巖,平均厚度8.02 m;基本頂為（粗)砂巖,平均厚27.81 m;直接底為泥巖,平均厚2.36 m。

2 車場巷道支護方案優(yōu)化

020902車場巷道布置交錯復雜,部分巷道與020902工作面的回風巷道及021002工作面的運輸巷道相連,在回采末期將會受到3號煤層采動影響,導致巷道群圍巖承載體受多重應力疊加,造成其穩(wěn)定性嚴重降低,嚴重影響車場圍巖支護穩(wěn)定,尤其是在車場相互交錯復雜的巷道[7]。

針對二采區(qū)車場的實際條件,車場與902材料繞道及鄰近901運輸順槽相連的交岔位置,巷道斷面較大,各巷間圍巖體尺寸較小且穩(wěn)定性較差;車場范圍內,901運輸順槽和902回風順槽的連接處呈“三角形”交岔,即多巷道交岔布置,導致承載結構負擔較大而其穩(wěn)定性越差。為此,根據(jù)相關理論分析提出了“錨桿+錨索+網(wǎng)+鋼梁”聯(lián)合支護優(yōu)化方案,并通過數(shù)值模擬技術與工業(yè)現(xiàn)場試驗進行支護效果對比分析。

對于車場巷道圍巖穩(wěn)定性相對較差的K型交岔巷道,提出的優(yōu)化支護措施如下:

1)錨桿均選Φ=20 mm,L=2.5 m的BH3RB

55高強度螺紋鋼錨桿,車場頂板錨桿間距0.75 m、排距0.8 m,兩幫錨桿間排距均0.8 m,兩側向外傾斜20°。

2)錨索選用的鋼絞線為Φ=17.8 mm,L=7.3 m。車場每排布置3根,向外傾斜20°,間距2.6 m、排距1.6 m,垂直于拱形煤壁打入且錨索托板緊貼煤壁,錨索漏出長度150 mm ～250 mm。

3)錨固劑選用MSCK2335、MSZ2360型/

4)金屬網(wǎng)選用規(guī)格Φ=4.0 mm,長寬為10×0.9 m,網(wǎng)間搭接100 mm。

5)錨梁選用12#鋼筋梯子梁,車場頂部錨梁長3.8 m,孔距0.75 m,幫部錨梁長2.1 m,孔距1 m,聯(lián)絡巷頂部錨梁長6.5 m,孔距0.8 m,幫部錨梁長0.9 m,孔距0.8 m。

6)在車場巷道特殊連接處實施29U型鋼支架,斷面3700 mm2,且車場巷道噴射混凝土。

3 車場聯(lián)合支護效果分析

針對以上提出的聯(lián)合支護優(yōu)化方案,分別通過利用數(shù)值模擬技術和現(xiàn)場應用監(jiān)測兩個方面其對支護效果進行了分析。

3.1數(shù)值模擬支護效果分析

該車場巷道群交岔點多且巷道斷面大,各巷間“三角形”圍巖體承載結構的穩(wěn)定性相對較差,其邊緣均存在不利于圍巖穩(wěn)定的隱患。針對這一位置的圍巖穩(wěn)定性提出錨桿+網(wǎng)+鋼架+錨索的圍巖控制對策的支護結構穩(wěn)定性說明采取該錨桿聯(lián)合支護方案是有效性。

根據(jù)晶鑫煤礦二采區(qū)車場的地質條件,建立了相應的車場巷道物理模型,通過合理簡化模擬條件和科學設定模擬參數(shù),針對車場圍巖穩(wěn)定薄弱部位,即多條巷道相連接的呈“K+I”型復雜交岔位置,采取聯(lián)合支護優(yōu)化后對復雜交岔巷道圍巖控制效果進行了數(shù)值模擬分析,分別得到了位移云圖和應力分布云圖,見圖1、圖2。

1-a 垂直位移變化

1-b 水平位移變化圖1 優(yōu)化支護后的交岔巷道圍巖體位移變化云圖Fig.1 Cloud map of displacement variation of surrounding rocks in intersected roadways after supporting optimization

交叉相鄰巷道圍巖體所受垂直應力主要分布在雙巷的頂板和底板,見圖1，集中表現(xiàn)在頂板,呈半橢圓形,輻射區(qū)域較大且位移量也較大,最大值為87.2 mm;交叉相鄰巷道在水平方面,應力集中現(xiàn)象在兩巷道的外側幫部表現(xiàn)最為明顯,由巷道的外側頂角至外側底角呈弧狀向外側輻射,在巷道幫部和底角處圍巖體最大水平位移為56.4 mm。由此可知,通過錨桿索補強支護來維護交岔巷道的外圍幫部和頂板巖體穩(wěn)定是正確的。

2-a 垂直應力分布

2-b 水平應力分布圖2 優(yōu)化支護后的交岔巷道圍巖體應力分布云圖Fig.2 Cloud map of stress distribution of surrounding rocks in intersected roadways after supporting optimization

通過分析圖2可知, 交岔巷道圍巖體垂直應力集中表現(xiàn)在兩巷的頂板和底板,水平應力集中表現(xiàn)在兩巷的幫部和底板。采用聯(lián)合支護方案后,復雜交岔巷道圍巖應力集中載荷承載力有所提高;淺部圍巖受聯(lián)合支護的鋼架支護錨固作用其穩(wěn)定性得到了加強;在交岔巷道兩邊的頂板和幫部錨桿恰好錨固于圍巖的垂直應力和水平應力集中區(qū)域。由此可見,針對這一圍巖穩(wěn)定性較弱的區(qū)域所提出的圍巖控制支護結構位于圍巖承載區(qū)的穩(wěn)定巖層位置,可以充分發(fā)揮破碎巖體的錨固作用,即該聯(lián)合支護優(yōu)化方案對復雜交岔巷道圍巖控制是有效的。

3.2車場巷道頂板離層監(jiān)測分析

1)監(jiān)測布置。頂板離層儀安裝在車場交岔巷道頂板的中間位置,鉆孔位于巷道中線且垂直打鉆,孔徑Φ27 mm,孔度7 m,將深部基點錨固器推至孔底,淺部基點錨固器推至2.2 m處,通過手拉測繩確認錨固牢靠,防治錨固器脫錨導致離層儀失效。安裝完畢后,把內、外測筒基讀數(shù)調整10 mm,頂板離層儀開始工作。

2)監(jiān)測結果分析。通過對車場巷道群交叉巷道頂板圍巖承載結構的重點監(jiān)測,將監(jiān)測結果繪制了離層情況隨時間的變化曲線,見圖3。

圖3 車場交岔巷道頂板離層監(jiān)測變化曲線Fig.3 Variation of roof separation in intersected roadways in shaft station

由圖3可知,頂板離層儀監(jiān)測顯示,前50 d頂板圍巖離層量不斷快速增加;在第50 d前后,淺孔變量與深空變量均達到最大離層量68 mm、67 mm,此后時間里,二者離層量區(qū)域穩(wěn)定,在65 mm ～68 mm范圍內徘徊。由此說明,在采區(qū)聯(lián)合支護后的50 d后,支護措施與圍巖承載體共同起到了支護作用,且對圍巖控制效果是比較顯著的。

同時,由相關的巷道變形監(jiān)測結果可知,車場巷道群交岔巷道頂?shù)装遄冃瘟考s為150 mm,兩幫變形量約為80 mm,而車場其他巷道圍巖的變形破壞也基本得到了穩(wěn)定地控制,這說明錨桿（索)+U型鋼聯(lián)合協(xié)調支護作用措施是有效的。

4 結論

通過分析車場復雜交錯巷道的圍巖破壞情況,以晶鑫煤礦為研究對象,針對其地質條件和生產(chǎn)條件提出了聯(lián)合支護方案,并通過數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場監(jiān)測分析得到以下結論:

1)由數(shù)值模擬分析得到,針對這一圍巖穩(wěn)定性較弱的區(qū)域所提出的圍巖控制支護結構位于圍巖承載區(qū)的穩(wěn)定巖層位置;錨桿索補強支護可維護交岔巷道的外圍幫部和頂板巖體穩(wěn)定,充分發(fā)揮破碎巖體的錨固作用,即該聯(lián)合支護優(yōu)化方案對復雜交岔巷道圍巖控制是有效的。

2)通過現(xiàn)場監(jiān)測可得到,聯(lián)合支護可與圍巖承載體共同起到良好的支護作用,對車場巷道變形的控制效果是顯著的,可為其它類似條件下的礦井巷道支護提供參考。

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SimulationandApplicationofSupportingPlanofIntersectedRoadwaysinShaftStationunderMiningDynamicLoad

CUILinzhu

（MalanMine,XishanCoal&ElectricityGroup,Gujiao030205,China)

To solve the poor stability of surrounding rocks in complex intersected roadways, taking No.2 mining shaft in Jingxin Mine as the study object, a combined supporting plan of bolt-anchor-mesh-beam was proposed on the actual geological and working condition. With numerical simulation and field monitoring, the results show that the supporting structure of the surrounding rocks is located on s
Table rocks, playing an ideal supporting role with its supporting body and a fully anchoring role in broken rocks. The structure effectively controlled the deformation of the shaft station, which could provide a reference for the similar mines.

combined supporting; intersected roadways; surrounding rock control; numerical simulation

TD741

A

（編輯:樊 敏)