車集煤礦2611工作面煤巷片幫機(jī)理分析與控制技術(shù)研究

徐付軍

（車集煤礦，河南 永城 476600）

1 工程概況

河南永城車集煤礦2611 工作面位于26 采區(qū)南翼中部，東為26 回風(fēng)下山下段保護(hù)煤柱，南為2611 工作面（未采），西為F5 斷層保護(hù)煤柱，北為2609 工作面采空區(qū)。工作面主采二2煤層，煤層均厚2.8m，平均傾角為9°。直接頂為泥巖，均厚1.36m；基本頂為細(xì)砂巖，均厚8.83m；直接底為砂質(zhì)泥巖，均厚為1.82m；基本底為粉砂巖；均厚11.4m。工作面采用綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。

2611 工作面上巷斷面為5.2×3.2m 的矩形，巷道原有支護(hù)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。頂板錨桿采用Φ20×2200mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間距不等，排距為1000mm；頂板錨索呈3-0-0-3 布置，垂直于頂板打設(shè)，錨索間排距為1500×3000mm。巷道非回采幫支設(shè)型號(hào)為Φ20×2200mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間、排距為1100×1000mm；回采幫支設(shè)型號(hào)為Φ27×2000mm 的玻璃鋼錨桿，間排距為1100×1000mm。巷道支護(hù)參數(shù)如圖1 所示。巷道在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)兩幫煤體片幫嚴(yán)重、兩幫圍巖變形量大等礦壓顯現(xiàn)情況，需對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 2611 工作面上巷原有支護(hù)斷面圖

2 煤巷片幫機(jī)理分析

在考慮頂板下沉影響的基礎(chǔ)上，通過建立深度為l的幫部模型，如圖2 所示，將巷道幫部的受力近似地看做偏心加載。在巷道開挖后，巷道幫部隨著頂板撓度和頂板回轉(zhuǎn)角度的增大，致使在靠近巷道l/2 范圍內(nèi)的煤巖體會(huì)受到壓應(yīng)力的作用，且巷道受到的最大壓應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)在巷道表面的位置處。另外，因巷幫為自由面，會(huì)使得巷幫在l/2 范圍內(nèi)的圍巖裂隙迅速形成并發(fā)育，進(jìn)而形成較大的裂隙面，該階段為巷道幫部煤巖體裂隙的形成、裂隙的擴(kuò)展階段。

圖2 考慮頂板撓度時(shí)巷道幫部的受力模型

隨著巷道開挖作業(yè)的進(jìn)行，巷道頂板的撓度會(huì)逐漸增大，在一定范圍內(nèi)巷道幫部的受力會(huì)出現(xiàn)持續(xù)增大。當(dāng)巷道幫部頂角位置處受到的應(yīng)力大于煤巖體所能承受的最大載荷強(qiáng)度時(shí)，此時(shí)煤壁邊緣的煤巖體會(huì)首先進(jìn)入塑性變形階段。隨著開挖作業(yè)的進(jìn)一步進(jìn)行，裂隙會(huì)逐漸加速發(fā)育，此階段為巷道幫部煤巖體裂隙的貫通階段[1-2]。

隨著巷道幫部破碎范圍的加大，幫部應(yīng)力峰值的轉(zhuǎn)移會(huì)使得巷道的等效跨度逐漸增大，此時(shí)若不采取有效措施，易致巷道出現(xiàn)“頂板彎曲下沉→撓度增大→巷道幫部偏心受壓、應(yīng)力集中→巷道兩幫裂隙發(fā)育破壞→頂板承載能力降低→頂板撓度進(jìn)一步增大→巷道幫部破壞加劇”的惡性循環(huán)。因此，在巷道幫部出現(xiàn)片幫破壞時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取有效措施控制巷道幫部穩(wěn)定[3-4]。

3 煤巷片幫控制技術(shù)

3.1 控制技術(shù)的確定

頂板錨桿的桿體強(qiáng)度和頂板錨桿預(yù)緊力能夠改善并提高幫部破碎煤巖體的殘余強(qiáng)度，進(jìn)而有效控制巷道幫部的變形。根據(jù)2611 工作面的具體情況，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道頂板錨桿桿體強(qiáng)度和頂板錨桿預(yù)緊力對(duì)巷道幫部變形的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

（1）頂板錨桿桿體強(qiáng)度的影響

為有效分析頂板錨桿桿體強(qiáng)度對(duì)煤巷幫部變形破壞的影響，設(shè)置三種數(shù)值模擬方案：① 頂板錨桿采用Φ18 材質(zhì)的HRB335 型錨桿；② 頂板錨桿采用Φ20 材質(zhì)的HRB400 型錨桿；③ 頂板錨桿采用Φ22 材質(zhì)的HRB500 型錨桿。三種方案，巷道幫部均采用Φ20 材質(zhì)的HRB400 型錨桿。根據(jù)此三種模擬方案分別對(duì)頂板采用低性能、中等性能和高性能的錨桿的支護(hù)進(jìn)行模擬分析。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出，頂板錨桿在三種性能的支護(hù)材料下兩幫移近量如表1 所示，頂錨桿在不同強(qiáng)度下巷幫垂直應(yīng)力的分布如圖3 所示。

表1 頂板采用不同錨桿桿體下頂板的下沉量

圖3 頂錨桿不同桿體強(qiáng)度下巷幫垂直應(yīng)力分布

通過分析數(shù)值模擬結(jié)果表1 和圖3 可知，隨著頂板采用的錨桿桿體強(qiáng)度的增大，巷道兩幫的移近量會(huì)逐漸減小，巷道幫部在頂板錨桿桿體材質(zhì)較弱時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，幫部的垂直應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)先增大后減小的狀態(tài)，且在幫部應(yīng)力峰值出現(xiàn)后垂直應(yīng)力的降低幅度較大。另外，隨著巷道頂板錨桿桿體強(qiáng)度的增大，巷幫煤巖體的垂直應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)明顯降低的趨勢(shì)，且不會(huì)出現(xiàn)幫部垂直應(yīng)力的峰值狀態(tài)，巷幫的垂直應(yīng)力會(huì)逐漸降低至原巖應(yīng)力的狀態(tài)，且應(yīng)力峰值會(huì)出現(xiàn)向巷幫深部轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。另外根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，相對(duì)于Φ18-HRB335 型頂錨桿，在頂錨桿采用Φ20-HRB400 和Φ22-HRB500 時(shí)巷道塑性區(qū)的面積分別減少8.5%和23.6%。

（2）頂板錨桿的預(yù)緊力影響

為有效分析頂板錨桿預(yù)緊力的大小對(duì)巷道幫部變形破壞的影響，設(shè)置頂錨桿采用Φ20-HRB400 型錨桿，分別對(duì)錨桿預(yù)緊力為30kN 和90kN 時(shí)巷道幫部的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，設(shè)置該兩種錨桿預(yù)緊力能夠分別代表弱和中等預(yù)緊力下巷道幫部煤巖體的變形破壞特征。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出在頂板錨桿施加不同預(yù)緊力下巷道塑性區(qū)域的分布如圖4 所示。

圖4 不同預(yù)緊力下圍巖塑性區(qū)域的分布

通過分析圖4 可知，隨著頂板錨桿預(yù)緊力的增大，巷道頂板及兩幫圍巖的塑性區(qū)分布會(huì)逐漸減小，在只統(tǒng)計(jì)底板以上塑性區(qū)的分布時(shí)，能夠得出中等預(yù)緊力下巷道圍巖的塑性區(qū)面積相對(duì)于弱預(yù)緊力支護(hù)時(shí)減少了3.8%。為進(jìn)一步驗(yàn)證頂板錨桿預(yù)緊力對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)的影響，對(duì)相同材質(zhì)的頂板錨桿施加150kN 的預(yù)緊力，研究強(qiáng)預(yù)緊力下巷道圍巖的塑性區(qū)分布狀態(tài)。根據(jù)模擬結(jié)果可知，在強(qiáng)預(yù)緊力下巷道圍巖的塑性區(qū)分布進(jìn)一步減小，強(qiáng)預(yù)緊力下巷道圍巖的塑性區(qū)分布面積相對(duì)于弱預(yù)緊力下塑性區(qū)分布面積減少了4.5%。另外，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，在頂板錨桿預(yù)緊力為30kN、90kN 和150kN 條件下兩幫的移近量分別為115mm、89mm和68mm。據(jù)此可知，隨著頂板錨桿預(yù)緊力的增大，巷道兩幫的移近量逐漸減小，在控制巷道幫部的圍巖變形起到積極作用。

3.2 控制方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，增加頂板支護(hù)材料的強(qiáng)度、增加頂板支護(hù)的預(yù)緊力能夠降低巷道圍巖的塑性區(qū)分布，減小巷道幫部的變形量，將巷幫的支承應(yīng)力向巷道深部轉(zhuǎn)移，進(jìn)而有效地改善巷道幫部的應(yīng)力環(huán)境。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及巷道煤壁片幫的機(jī)理分析，結(jié)合2611 工作面上巷的具體條件，對(duì)巷道的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

頂板錨桿型號(hào)為Φ21.8mm×4000mm 的柔性錨桿，每排布置4 根，非等間距布置，排距為1000mm，錨固長(zhǎng)度為2400mm，預(yù)緊力為200kN，錨桿垂直于巷道頂板打設(shè)，并配合Φ6mm 的鋼筋網(wǎng)對(duì)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)。巷道非回采幫錨桿采用型號(hào)為Φ20×2200mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間距不等，巷道斷面內(nèi)每排安裝4 根錨桿，排距為1000mm，靠近頂板的錨桿向底板方向傾斜15°安裝，其余錨桿均垂直巷幫安裝，錨桿預(yù)緊力不小于200kN；巷道回采幫采用型號(hào)為Φ27mm×2000mm的玻璃鋼錨桿配合菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨桿間距不等，排距為1000mm。具體2611 工作面上巷優(yōu)化后支護(hù)形式如圖5 所示。

圖5 2611 工作面上巷優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)

3.3 效果分析

在對(duì)2611 工作面上巷的支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，通過布置2 個(gè)測(cè)站對(duì)巷道表面位移進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。測(cè)站1 在距離巷道掘進(jìn)頭10m 的位置處，測(cè)站2 與測(cè)站1 間隔30m。將巷道表面位移測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)繪制成變形量—時(shí)間的曲線，如圖6 所示。

圖6 巷道圍巖變形量

通過分析圖6 能夠得出巷道圍巖位移量的曲線表現(xiàn)為前期變形快、后期逐漸趨于穩(wěn)定的總體趨勢(shì)。在巷道兩幫采用優(yōu)化后支護(hù)方案30d 后，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟炕静辉僭鲩L(zhǎng)，測(cè)站1 與測(cè)站2的圍巖變形量基本一致，其中頂?shù)装宓淖畲笠平繛?0mm，兩幫的最大移近量為170mm，通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，優(yōu)化后巷道兩幫圍巖未再出現(xiàn)片幫現(xiàn)象；而采用原有支護(hù)方案，其圍巖變形量一般兩幫的移近量為1000mm，頂?shù)装宓囊平繛?00mm。據(jù)此可知，優(yōu)化后2611 工作面上巷的支護(hù)方案有效地控制了巷道圍巖變形，控制了巷道兩幫片幫的情況。

4 結(jié)論

針對(duì)2611 工作面上巷在掘進(jìn)過程中巷幫易片幫的情況，通過對(duì)煤巷片幫的機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)合巷道具體地質(zhì)條件對(duì)頂板錨桿的支護(hù)參數(shù)對(duì)巷幫圍巖的變形破壞情況進(jìn)行模擬分析，根據(jù)理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)2611 工作面上巷的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的支護(hù)方案實(shí)施后頂?shù)装宓淖畲笠平繛?0mm，兩幫的最大移近量為170mm，有效地控制了巷道兩幫的變形，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。