香源礦回采巷道超前支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

羅雙健

(山西汾西香源煤業(yè)有限責(zé)任公司)

回采巷道穩(wěn)定是保障工作面安全高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。尤其是在工作面采動(dòng)影響下，巷道圍巖應(yīng)力集中，完整性下降，強(qiáng)度降低，極易發(fā)生冒頂、片幫等安全事故，給工作面正常生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患，因此，確定合理的超前支護(hù)方式對(duì)巷道在采動(dòng)影響下圍巖穩(wěn)定有著十分重要的作用。本文以香源礦20104工作面運(yùn)輸順槽實(shí)際地質(zhì)條件為背景，利用懸吊理論和FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)工作面采動(dòng)影響下巷道變形規(guī)律進(jìn)行分析研究[1-2]，并提出相應(yīng)的支護(hù)方案[3-4]，為相似條件下工作面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

香源礦主采煤層包括2#、3#、4#、8#和9#煤層，額定生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t/a。20104工作面主采2#煤層，煤層厚1.2～2.3 m，平均為1.75 m，傾角為2°～8°，平均為5°，煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定可采煤層。煤層直接頂為泥巖，平均厚1.98 m，基本頂為中粒砂巖，平均厚4.05 m，直接底為泥巖，平均厚2.85 m。20104工作面運(yùn)輸順槽沿煤層頂板掘進(jìn)，矩形斷面，寬4.2 m，高2.3 m，斷面積為9.2 m2。工作面運(yùn)輸順槽布置平面見(jiàn)圖1。

2 現(xiàn)有支護(hù)方案

20104工作面運(yùn)輸順槽采用錨網(wǎng)梁+錨索聯(lián)合支護(hù)形式。

頂板支護(hù)：采用φ20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，每排布置6根，間排距為800 mm×900 mm，均垂直于頂板布置；采用φ17.8 mm×5 500 mm鋼絞線錨索，錨索排距為1 800 m，均垂直于頂板“三·二”布置，每排布置3根時(shí)，錨索間距為1 000 mm，每排布置2根時(shí)，錨索間距為1 200 mm；采用φ14 mm 鋼筋托梁，規(guī)格為4 100 mm×80 mm；采用12#鐵絲加工制成的金屬菱形網(wǎng)，規(guī)格為4.5 mm×1.0 m，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm。

兩幫支護(hù)：采用φ16 mm×1 600 mm端頭錨固圓鋼錨桿，錨桿依據(jù)煤層厚度分區(qū)布置，當(dāng)煤層厚度為1.8 m及以下時(shí)，排距為900 mm，每幫每排布置2根，均垂直兩幫，上部錨桿距頂板400 mm，下部錨桿布置在煤巖交界處；當(dāng)煤層厚度為1.8 m以上時(shí)，錨桿間排距為800 mm×900 mm，每幫每排布置3根，均垂直頂板，上部錨桿距離頂板400 mm；采用12#鐵絲加工制成的金屬菱形網(wǎng)，規(guī)格為1.6 m×1.0 m，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm。

巷道支護(hù)斷面見(jiàn)圖2。

3 支護(hù)參數(shù)校驗(yàn)

3.1 錨桿長(zhǎng)度

根據(jù)懸吊理論，錨桿長(zhǎng)度應(yīng)由外露長(zhǎng)度、有效長(zhǎng)度和錨固長(zhǎng)度三部分組成，其表達(dá)式為

L=L1+L2+L3,

(1)

式中，L為錨桿長(zhǎng)度，m；L1為外露長(zhǎng)度， m；L2為有效長(zhǎng)度,頂錨桿取冒落拱最大高度，幫錨桿取煤幫破碎深度，m；L3為錨固長(zhǎng)度，m。

圖1 20104工作面運(yùn)輸順槽布置平面

圖2 巷道支護(hù)斷面(單位:mm)

式(1)中，外露長(zhǎng)度L1可取0.1 m，錨固長(zhǎng)度L3頂錨桿可取1.1 m，幫錨桿可取0.55 m，有效長(zhǎng)度L2頂板取冒落拱最大高度，兩幫取煤壁破壞深度，有

(2)

(3)

式中，b為冒落拱高度，m；B為巷道寬度，取4.2 m；fd為頂板普氏系數(shù)，取4；c為兩幫破壞深度，m；H為巷道高度，取2.3 m；f為巷道圍巖普氏系數(shù)，取1.1。

代入數(shù)據(jù)，可得b=0.76 m，c=0.93 m。

將所得結(jié)果代入式(1)，可得頂錨桿長(zhǎng)度L=1.96 m，幫錨桿長(zhǎng)度L=1.58 m。

根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)，頂錨桿長(zhǎng)2 m，幫錨桿長(zhǎng)1.6 m，均滿足生產(chǎn)需求。

3.2 錨桿間排距

根據(jù)錨桿承載能力，錨桿間排距可由下式計(jì)算得到

(4)

式中，a為錨桿間排距，m；Q為錨桿錨固力，取50 kN；Ka為安全系數(shù)，取1.8；γ為巷道圍巖容重，頂板巖層取25.7 kN/m3，兩幫巖層取15.4 kN/m3；其余符號(hào)意義同上。

代入數(shù)據(jù)，可得頂錨桿a=1.19 m,幫錨桿a=1.39 m。

因此，支護(hù)設(shè)計(jì)中的錨桿間排距滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

3.3 錨索間排距

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，工作面直接頂為1.3～3.0 m，平均為1.98 m，巖性以泥巖為主，強(qiáng)度較低，為防止直接頂巖層整體垮落，還需向頂板打入錨索，將直接頂巖層懸吊于上部穩(wěn)定巖層內(nèi)。錨索間排距可表示為

Lm=nF/[(BmHmγd-2Qsinθ)/Lp] ,

(5)

式中，Lm為錨索間排距，m；n為錨索根數(shù)，取較危險(xiǎn)情況2根；F為錨索極限承載能力，取320 kN；Bm為頂板冒落寬度，取最大值巷道寬度4.2 m；Hm為頂板冒落高度，取直接頂最大厚度3.0 m；γd為頂板巖層容重，取25.7 kN/m3；θ為兩側(cè)頂錨桿與與頂板夾角，取90°；Lp為頂錨桿排距，取0.9 m。

計(jì)算可得錨索間排距最大應(yīng)為2.57 m，實(shí)際設(shè)計(jì)方案滿足生產(chǎn)需求。

4 采動(dòng)影響下巷道變形規(guī)律

通過(guò)上述計(jì)算，認(rèn)為巷道支護(hù)方案基本可以滿足巷道要求，但在回采期間，采動(dòng)影響，工作面前方一定范圍內(nèi)的巷道變形嚴(yán)重，常規(guī)支護(hù)難以保證巷道的圍巖穩(wěn)定，需進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。因此，根據(jù)20104工作面實(shí)際地質(zhì)條件，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型。模型長(zhǎng)200 m，寬150 m，高60 m，底部與四周固支，頂板施加均布載荷模擬上覆巖層作用。數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

利用數(shù)值模擬軟件模擬采動(dòng)影響下巷道圍巖破壞情況。在工作面兩側(cè)，首先掘進(jìn)回采巷道，巷道尺寸依據(jù)實(shí)際情況為4.2 m×2.3 m，計(jì)算至平衡后回采工作面，工作面長(zhǎng)140 m，每次推進(jìn)2 m，共推進(jìn)50 m，分析工作面超前35 m內(nèi)的巷道塑性破壞規(guī)律。工作面回采前巷道圍巖變形見(jiàn)圖4。

圖4 工作面回采前巷道塑性破壞示意

為方便研究，將圍巖剪切破壞部分設(shè)為淺色，拉伸破壞部分設(shè)為深色。由圖4可以看出，工作面回采前，巷道圍巖變形以剪切破壞為主，僅巷道底板有少量拉伸破壞。然后對(duì)工作面進(jìn)行回采，共推進(jìn)50 m，工作面前方巷道塑性破壞見(jiàn)圖5。

圖5 工作面前方回采前巷道塑性破壞示意

如圖5所示，受工作面采動(dòng)影響，工作面前方5m處回采巷道破壞嚴(yán)重，靠近工作面一側(cè)，煤壁破壞范圍明顯增大，且巷道圍巖以拉伸破壞為主，極易發(fā)生冒頂、片幫等安全事故；隨著與工作面距離的增大，巷道圍巖塑性破壞范圍逐漸減小，在距離工作面35m處，巷道圍巖塑性破壞情況與工作面回采前基本一致，未受工作面的采動(dòng)影響。由此可知，在回采過(guò)程中，工作面前方25m范圍內(nèi)回采巷道受采動(dòng)影響嚴(yán)重，需加強(qiáng) 支護(hù)，以保證回采巷道穩(wěn)定。

5 加強(qiáng)支護(hù)形式

受采動(dòng)影響，工作面前方25～35 m范圍內(nèi)的回采巷道破壞嚴(yán)重，存在一定安全隱患，因此，實(shí)際生產(chǎn)中，需超前約30 m架設(shè)支護(hù)，并加強(qiáng)對(duì)巷道圍巖的觀測(cè)，若遇到巷道圍巖較為破碎時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加超前支護(hù)距離。

超前支護(hù)采用DZ-31.5型或DZ-35型單體液壓支柱配合3.6 m長(zhǎng)π型梁的“一梁三柱”棚式支護(hù)，棚間距為0.8 m，兩端支柱距離梁頭0.2 m，支柱間距為1.1和2.1 m。超前支護(hù)示意見(jiàn)圖6。

圖6 工作面超前支護(hù)示意(單位：m)

6 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)

為檢驗(yàn)該支護(hù)方式的效果，實(shí)際生產(chǎn)中，在距離切眼50 m處布置測(cè)站，監(jiān)測(cè)頂板下沉量和兩幫移近量，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7可知，隨著工作面接近測(cè)站，測(cè)站處圍巖變形逐漸增加，當(dāng)工作面距離測(cè)站30 m處，圍巖變形增大的速率加快，說(shuō)明工作面采動(dòng)影響范圍約30 m。圍巖變形量在距離工作面10 m處達(dá)到最大，但仍在許可范圍內(nèi)，說(shuō)明支護(hù)效果顯著，有力保障了巷道圍巖穩(wěn)定。

圖7 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果◆—頂板下沉量；■—兩幫移近量

7 結(jié) 論

(1)針對(duì)香源礦21404運(yùn)輸順槽現(xiàn)有支護(hù)設(shè)計(jì)主要參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，認(rèn)為現(xiàn)有支護(hù)設(shè)計(jì)能夠滿足巷道實(shí)際需求。

(2)利用FLAC3D數(shù)值軟件，得出在工作面前方25 m范圍內(nèi)巷道圍巖破壞加劇，需對(duì)巷道加強(qiáng)支護(hù)。

(3)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合礦井實(shí)際，在回采巷道超前工作面30 m加強(qiáng)支護(hù)，采用“一梁三柱”棚式支護(hù)，并提出合理的支護(hù)參數(shù)。

(4)在實(shí)際生產(chǎn)中，采用提出的超前支護(hù)形式，有效改善了工作面前方回采巷道圍巖變形，為工作面安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。