厚煤層大斷面煤層巷道支護(hù)設(shè)計(jì)研究

張?jiān)骑w

（山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)經(jīng)坊煤業(yè)有限公司煤礦主采煤層為3#煤，采用綜放開(kāi)采，煤層厚度為3.58～6.46m，屬于厚煤層開(kāi)采，高瓦斯礦井，礦井通風(fēng)風(fēng)量需求比較高，故需要掘進(jìn)大斷面巷道。同時(shí)，由于此開(kāi)采水平采區(qū)巷道掘進(jìn)絕大部分屬于煤巷掘進(jìn)，巷道圍巖、頂板更加松軟破碎，更容易發(fā)生一些離層破壞現(xiàn)象。此時(shí)，巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)難度比較大。

1 概況

3#煤層開(kāi)采時(shí)，回風(fēng)巷道設(shè)計(jì)寬度為4.5m，高度為3.2m，掘進(jìn)斷面積為14.40m2，且巷道沿煤層掘進(jìn)，屬大斷面煤巷掘進(jìn)。以往回風(fēng)巷掘進(jìn)大多采用傳統(tǒng)的棚式支架支護(hù)，這是一種低強(qiáng)度和低剛度的被動(dòng)支護(hù)方式，支架不能隨著圍巖變形起到支撐作用，導(dǎo)致圍巖變形往往很大卻得不到有效控制，不利于巷道的穩(wěn)定和安全。針對(duì)此情況，必須對(duì)新掘巷道的支護(hù)方案進(jìn)行針對(duì)性的研究。本文通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)此地質(zhì)條件下的大斷面煤巷掘進(jìn)的支護(hù)進(jìn)行了研究。

3#煤層基本頂為灰白色細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖，厚度一般為3.00～8.00m，有時(shí)相變?yōu)榉凵皫r，含植物化石，單軸抗壓強(qiáng)度為34.1～67.5MPa，平均為50.8MPa；直接頂為黑色泥巖，厚度一般為0.00～7.30m，含炭質(zhì)和植物化石，單軸抗壓強(qiáng)度為22.8～39.0MPa，平均為30.9MPa；直接頂?shù)撞砍Ｓ泻穸葹?.04～0.16m的炭質(zhì)泥巖或頁(yè)巖偽頂，極易隨采冒落。直接底為黑色泥巖，夾灰?guī)r，厚度一般為3.00～5.00m，富含植物化石，局部地層沉積增厚，下部往往夾雜不穩(wěn)定的4#煤層，且達(dá)可采厚度；基本底為砂巖，厚度一般為1.29～3.40m，由灰色細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖或粉砂巖組成，含泥質(zhì)條紋或泥巖薄層，斜層理發(fā)育。

2 數(shù)值模擬模型建立與方案確定

2.1 模型建立

本次數(shù)值模擬采用有限差分FLAC3D數(shù)值模擬軟件，用庫(kù)倫-摩爾模型，模擬范圍的長(zhǎng)和寬分別為140m和140m，橫向和縱向網(wǎng)格分別為148個(gè)和108個(gè)。模型的下表面位移恒定，上表面垂直應(yīng)力為均布荷載，側(cè)壓力隨開(kāi)采深度的變化而變化。

2.2 模擬方案

本次模擬主要研究頂板錨桿的根數(shù)，以及錨桿的直徑、長(zhǎng)度、排距對(duì)回風(fēng)巷道支護(hù)效果的影響，根據(jù)實(shí)際條件，共設(shè)置了14種方案，方案匯總?cè)缦卤?所示。

表1 數(shù)值模擬方案匯總表

3 模擬結(jié)果分析

3.1 巷道無(wú)支護(hù)狀態(tài)的模擬

巷道處于原巖狀態(tài)而未采取任何支護(hù)的條件下，頂板和兩幫的變形較大，剪切破壞較嚴(yán)重，頂板下沉較嚴(yán)重，可達(dá)506.7mm，而兩幫的相對(duì)移近距離要更大，最大處為574.5mm，頂板和兩幫會(huì)發(fā)生大面積的破壞，破壞深度較深，最大處達(dá)到了3.5m。圍巖移動(dòng)和破壞的狀況如下圖1所示。

3.2 頂板錨桿根數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響

頂板每排布置3根錨桿時(shí)，對(duì)頂板下沉和巷道兩幫移近引起的剪切破壞改良不大，效果不明顯，巷道變形仍舊很大。

每排增加到5根錨桿時(shí)，圍巖的位移及破壞情況如圖2所示。巷道頂板下沉量為181.9mm，減小了324.8mm，降低了64.1%，兩幫煤體相對(duì)移近量為216.7mm，降低率達(dá)到了62.3%，對(duì)頂板和兩幫的變形控制效果明顯。頂板和底板的剪切破壞范圍明顯減小，分別為2.0m和1.5m，分別降低了42.9%和25%，兩幫的剪切破壞區(qū)域消失，頂板和兩幫的大面積拉斷區(qū)域消失。巷道附近的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力均很小，支護(hù)效果較好。

頂板每排6根錨桿時(shí)，圍巖位移和應(yīng)力變化與布置5根時(shí)無(wú)明顯區(qū)別，故頂板每排5根錨桿時(shí)較合理。

3.3 錨桿直徑對(duì)支護(hù)效果的影響

模擬錨桿直徑由Φ16mm～Φ22mm的變化過(guò)程，可發(fā)現(xiàn)開(kāi)始時(shí)對(duì)頂板下沉和兩幫移近的控制效果比較明顯，直徑從Φ20繼續(xù)增大的過(guò)程中，頂板下沉和兩幫移近繼續(xù)縮小，但是變化幅度很小，從經(jīng)濟(jì)性和安全性角度考慮，錨桿直徑取Φ20比較合理，圍巖受力條件比較好，支護(hù)成本也較低。

3.4 錨桿排距對(duì)支護(hù)效果的影響

錨桿排距從0.7m到1.1m，頂板下沉量變化不大。排距從1.1m加大到1.3m，頂板下沉量增加了203.6mm，對(duì)支護(hù)效果影響比較明顯。因此，1.1m是較合理的排距。錨桿排距為1.3m時(shí)，巷道變形和破壞狀況如圖3所示。

圖1 無(wú)支護(hù)條件下圍巖位移及破壞圖

圖2 頂板每排5根錨桿時(shí)圍巖位移及破壞圖

3.5 錨桿長(zhǎng)度對(duì)支護(hù)效果的影響

由于巷道的頂板較破碎，巷道頂板有超過(guò)1m的頂煤，為保證頂板受力的整體性，錨桿長(zhǎng)度選擇2.4m，此時(shí)，頂板的下沉量最小，較破碎的頂板可共同作用，受力性能比較好。

4 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及效果評(píng)價(jià)

根據(jù)模擬結(jié)果，確定巷道錨桿形式和規(guī)格：錨桿長(zhǎng)度2.4m，桿體采用20#螺紋鋼，桿尾采用M22mm螺紋；采用130mm×130mm、厚度8mm的高強(qiáng)度拱形鋼板托板；錨固方式采用兩支加長(zhǎng)樹(shù)脂藥卷，規(guī)格分別為K2335和Z2360，錨桿的錨固長(zhǎng)度1.2m，鉆孔直徑略大于錨桿直徑，取28mm；錨桿間距1m，排距0.9m，每排布置5根。

根據(jù)以上支護(hù)方案進(jìn)行回風(fēng)巷的支護(hù)，施工過(guò)程及后期未發(fā)生明顯的礦壓現(xiàn)象，頂板整體性較好，支護(hù)效果比較好。