西曲礦28302工作面切眼口劈幫圍巖控制技術(shù)研究

劉德亮(西山煤電(集團)有限責(zé)任公司 西曲礦，山西 古交 030200)

西曲礦28302工作面切眼口劈幫圍巖控制技術(shù)研究

劉德亮
(西山煤電(集團)有限責(zé)任公司 西曲礦，山西 古交 030200)

為解決西山煤電集團西曲礦28302工作面液壓支架拆除收尾時圍巖破碎、容易冒頂、支架被壓等問題，通過理論分析、數(shù)值模擬及工程類比的方法，提出了在28302工作面正巷與切眼交叉處劈幫的技術(shù)，確定了劈幫處的支護方案，有效控制了圍巖變形，順利實現(xiàn)了液壓支架的拆除。此技術(shù)對類似地質(zhì)條件下工作面拆架有重要的借鑒意義。

支架拆除；數(shù)值模擬；圍巖控制；支護

隨著現(xiàn)代礦井機械化生產(chǎn)的發(fā)展，液壓支架被應(yīng)用到采煤工作面，為了實現(xiàn)循環(huán)利用，上一個工作面采完之后，需要將支架拆除，以便之后的工作面使用。然而，工作面圍巖[1]的破碎程度決定了支架的拆除效率。西山煤電集團西曲礦28302工作面液壓支架拆除收尾時，由于受采面滯留時間長、拆架引起支撐壓力[2-4]動態(tài)變化的影響，最后3架液壓支架前方出現(xiàn)圍巖破碎、頂板冒落及支架被壓死的情況。為了實現(xiàn)液壓支架的順利拆除，本文通過理論分析、數(shù)值模擬及工程類比的方法，提出了在正巷與切眼口交叉處劈幫的技術(shù)，確定了合理的支護方案，有效地控制了圍巖變形，安全高效地將支架全部拆除并搬運到了地面。

1 工程地質(zhì)條件及遇到的困難

西曲礦28302工作面所采煤層為8#煤層，屬于井田穩(wěn)定可采的煤層，厚度為3.21～4.46 m，平均3.95 m. 根據(jù)鉆孔采樣試驗記錄可知，煤層直接頂板以泥巖為主，巖性較軟，易風(fēng)化，抗拉強度0.9～1.0 MPa，平均0.95 MPa；抗壓強度32.8～33.6 MPa，平均33.20 MPa，屬中硬巖石；凝聚力系數(shù)3.4～4.7，平均4.05，抗剪內(nèi)摩擦角33°49′～37°20′，平均35°35′. 底板以泥巖為主，其次為砂質(zhì)泥巖，抗壓強度26.9～54.3 MPa，平均40.60 MPa，屬中硬巖石；抗拉強度0.5～2.3 MPa，平均1.4 MPa；凝聚力系數(shù)4.1～9.4，平均6.75.

28302工作面正巷約為1 200 m，副巷約為1 400 m，切眼長度為220 m，屬矩形斷面，工作面共布置液壓支架147架，整個工作面形成之后，于2015年11月初開始回采，2016年12月回采結(jié)束，歷時13個月。在2017年3月初，開始拆除支架，搬運路線為從工作面向28302正巷方向移動液壓支架，通過平板車搬運到正巷運料斜坡，然后再經(jīng)過2805斜坡—西983大巷—北983大巷—副平硐，最后運到地面。

遇到的困難：前141架的拆除與搬運過程進展很順利，在拆第142架時，由于受采面滯留時間與拆架引起工作面支撐壓力動態(tài)變化的影響，后3架圍巖破碎、出現(xiàn)冒頂，導(dǎo)致支架被壓死，嚴重影響了支架的拆除收尾工作。因此，必須采取合理有效的措施控制其圍巖變形，本文將采用切眼口劈幫的技術(shù)，即在28302工作面正巷與切眼交叉處抹角。抹角區(qū)平面圖見圖1.

圖1 劈幫處平面圖

2 工作面回采期間應(yīng)力分布

為了分析抹角區(qū)周圍圍巖破碎、支架被壓的原因，首先需要研究28302工作面回采期間，煤壁周圍應(yīng)力增高區(qū)范圍。采用FLAC3D數(shù)值模擬[5]的方法，分析煤壁周圍垂直應(yīng)力分布情況。

數(shù)值模擬以西曲礦8#煤的地質(zhì)條件為背景，工作面長度取220 m，正巷、副巷寬度均取4.5 m，構(gòu)建三維計算模型。為了滿足計算的精確度，綜合考慮計算的方便性，模型中對厚度不大或巖性基本相同的巖層進行了合并；在計算三維模型中，去除煤層傾角的干擾。數(shù)值模擬中各巖層、煤層的力學(xué)參數(shù)參考該礦煤巖塊的力學(xué)參數(shù)，模型采用應(yīng)力邊界和位移邊界條件，模型的上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力，其余邊界位移固定。待計算平衡后，取Z方向的垂直應(yīng)力等值線分布圖，將模擬結(jié)果用后處理軟件Tecplot處理，見圖2.

圖2 垂直應(yīng)力等值線分布圖

由圖2可以看出，28302工作面回采期間，煤壁周圍應(yīng)力分布呈現(xiàn)中間小、兩邊大的情況，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在切眼與正副巷交叉處20 m范圍內(nèi)，最大值達到13 MPa，計算出其應(yīng)力集中系數(shù)約為2.0. 這解釋了在回收最后幾個支架時，工作面出現(xiàn)圍巖破碎、支架被壓的原因。正是因為受采動的影響，再加上工作面滯留時間長，導(dǎo)致在拆除142號架時，頂板出現(xiàn)局部冒落的現(xiàn)象。

3 劈幫處支護技術(shù)

根據(jù)以往的工程實踐，圍巖較破碎時，一般需要架鐵棚。根據(jù)數(shù)值模擬的方法，最終確定抹角后支護形式為錨桿+錨索+鐵棚，棚距為1.0 m，頂錨桿間排距為1.0 m×1.0 m，錨索間距為1.0 m. 鐵棚腿使用D35型單體。支護平面圖見圖3. 幫錨桿呈五花形布置，間排距為1.0 m×1.0 m，第一排幫錨桿距頂板0.6 m，并掛2.3 m×4.0 m的鐵絲網(wǎng)。頂錨桿采用d20 mm×1 800 mm的無縱肋螺紋鋼錨桿。幫錨桿采用d20 mm×1 800 mm的無縱肋螺紋鋼錨桿。錨索采用d17.8 mm，長為3.2 m的鋼絞線。

圖3 劈幫處支護平面圖

采用戴帽單體作為臨時支護,單體規(guī)格為D35. 柱帽規(guī)格為150 mm×800 mm. 單體間距1.5 m，柱帽與巷道平行放置。單體距幫不大于0.5 m，距永久支護不大于0.5 m. 在臨時支護下架設(shè)鐵棚，棚子架設(shè)好后再打錨桿錨索。注錨桿時，使用MQT-120單體風(fēng)動錨桿機配合165 mm長的柱頭注入頂錨桿，錨桿必須頂透力矩螺母，外露長度以露出螺母10～40 mm為準，打設(shè)的錨桿要用BK42礦用氣動扳機套在力矩螺母上逐根緊固，并用聲控力矩扳手檢測，預(yù)緊力矩達到209 N·m，錨固力達到105 kN.

4 施工工藝

施工期間，采用爆破法破煤，裝載機轉(zhuǎn)運到40 t溜子、膠帶輸送機運輸?shù)氖┕し绞健＞蜻M三隊負責(zé)爆破落煤和頂幫錨桿支護，安裝一隊負責(zé)轉(zhuǎn)運落煤和架設(shè)鐵棚。按照由外向里的順序依次施工，見圖3所示方向。

施工流程為：安全檢查→檢查加固鄰近10 m范圍內(nèi)的支護→打眼→瓦檢、裝藥→瓦檢、灑水、連線、放炮→通風(fēng)、瓦檢、灑水→出煤→臨時支護→架鐵棚、打錨桿、錨索→下一循環(huán)→清理現(xiàn)場

施工期間的工藝要求：

1) 對作業(yè)地點的通風(fēng)、瓦斯、頂板支護、設(shè)備情況全面檢查，發(fā)現(xiàn)問題處理后再作業(yè)。

2) 檢查加固鄰近10 m范圍內(nèi)的支護，爆破點前后10 m范圍內(nèi)的單體相互間用抱箍連接。

3) 打錨桿眼時作業(yè)人員嚴禁戴手套操作，打錨桿前必須先“敲幫問頂”處理浮矸活石，排除隱患，在確保安全的情況下，方可作業(yè)。

4) 采用YTP-26型氣腿式鑿巖機與FT170型氣腿配套打眼，鉆頭為d30 mm的柱齒鉆頭，鉆桿為d22 mm×2 000 mm的空心鉆桿。眼深為1.7 m，要求打一個眼，注一根錨桿。錨桿眼打好后注入樹脂藥卷，注設(shè)時，先注入一卷MSCKb2360樹脂藥卷，再注入一卷MSK2380樹脂藥卷，然后注入錨桿并啟動錨桿鉆機攪拌上升，樹脂藥卷攪拌時間為10～25 s，安裝托片等待時間為90～180 s.

5 效果分析

施工期間，為了準確掌握頂板離層情況及圍巖的表面位移，安設(shè)了一個頂板離層儀來記錄頂板離層情況，并設(shè)置了一個測站對巷道表面位移進行監(jiān)測[5]，每天記錄一次數(shù)據(jù)，在記錄數(shù)據(jù)期間，頂板離層儀讀數(shù)基本無變化，這說明上述支護方案有效地控制了冒頂。將表面位移測站的數(shù)據(jù)整理后，見圖4、5.由圖4，5可知，劈幫處在觀測的數(shù)天內(nèi)，移近速度隨時間延長而逐漸減小，頂?shù)装逑鄬ξ灰屏孔畲鬄?8 mm，移近速率最大為3.3 mm/d，平均約0.9 mm/d；兩幫相對位移量最大為32 mm，移近速率最大為2.8 mm/d，平均約0.8 mm/d. 劈幫處圍巖表面位移較小，頂板狀況較好，對支架的順利拆除提供了便利條件。可見，此項技術(shù)有效地控制了劈幫處圍巖的變形，并且期間未出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，提高了支架拆除工作的效率。

圖4 頂?shù)装逡平壳€圖

圖5 兩幫移近量曲線圖

6 結(jié) 論

本文首先通過FLAC3D模擬軟件模擬了西曲礦28302工作面回采期間應(yīng)力分布情況，得出了在切眼與正副巷交叉處20 m范圍內(nèi)為應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.0；然后采用工程類比結(jié)合數(shù)值計算的方法確定了切眼口劈幫的支護方案，并根據(jù)支護方案提出了相應(yīng)的施工工藝；最后根據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)分析得出，該支護方案有效控制了劈幫處圍巖變形，頂板狀況良好，為支架的順利拆除節(jié)省了時間。

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[5] 王 軍.淺析數(shù)值模擬在煤礦巷道支護設(shè)計中的應(yīng)用[J].工業(yè)技術(shù),2013(8):137.

StudyonSurroundingRockControlTechnologyof38302WorkingFaceCuttingHoleSideFractureinXiquCoalMine

LIUDeliang

In view of seeking solution for the problems of support being pressed, induced roof fall and the surrounding rock being crushed in the end stage of support dismantling in 28302 working face, Xiqu coalmine, methods of theoretical analysis, numerical simulation and engineering analogy are adopted, this paper puts forward a new approach to the construction of the working face, i.e. to split the rib in the cross point between main tunnel and the open-off, the supporting scheme for splitting section is determined to manage the deformation in surrounding rock and guarantee the support dismantling. The technology is of important significance for reference in similar geological cases.

Support removal; Numerical simulation; Surrounding rock management; Support technology

·試驗研究·

2017-07-21

劉德亮(1987—)，男，山西孝義人，2015年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)管理工作(E-mail)liudeliang2008.com@qq.com

TD355

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1672-0652(2017)10-0013-03