王莊煤礦9107工作面回風巷支護方案優化研究

任寶恒

(山西潞安環保能源開發股份有限公司 王莊煤礦,山西 長治 046031)

1 工程概況

王莊煤礦總體呈現由西北向西南擴展的的單斜構造,大致傾斜角度為2°～6°。王莊井田地處潞安礦區的中部地區靠近東側的邊緣位置。整個井田自然形成的褶皺比較多,也比較平緩,由東向到西向擴展。王莊煤礦9107綜采工作面開采3號煤層,平均煤厚6.08 m,平均埋藏深度為540 m。沿著煤層底板布置寬×高分別為5.0 m×3.6 m的矩形巷道,巷道直接頂為砂質泥巖,平均厚度7.44 m;巷道基本頂為粉砂巖,平均厚度2.20 m;直接底為泥巖,平均厚度2.15 m;老底為石灰巖,平均厚度8.60 m。根據現場的鉆孔情況得到9107工作面回風巷頂底板綜合柱狀圖,如圖1所示。

圖1 9107工作面回風巷頂底板綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of roof and floor of the return airway on the 9107 working face

2 原巷道支護方案

圖2為原巷道支護斷面圖,巷道采用錨桿錨索聯合支護。巷道頂部巖層每排布置的錨桿型號為MSGLW-335，直徑22 mm，長度2 400 mm;巷道頂部巖層所布設的錨桿間距為950 mm，排距為900 mm;巷道頂部巖層錨索的布置方式為“3-2-3-2”,錨索的直徑為22 mm，長度為9 300 mm。

圖2 9107工作面回風巷現有的支護設計示意圖Fig.2 Existing supporting design of the return airway in the 9107 working face

巷道左側巷幫所布設的錨桿間距900 mm,排距900 mm;左幫位于最頂部錨桿的位置距離巷道頂部巖層450 mm,并且傾斜布置,傾斜角15°;左幫位于最底部布設的錨桿的位置距離巷道底部巖層450 mm;巷道左側巷幫布設直徑22 mm，長度5 300 mm的錨索,布置方式為“2-0-2”。

巷道右側巷幫每排布置的錨桿的型號為MSGLW-335，直徑22 mm，長度2 000 mm;巷道右側巷幫所布設的錨桿間距1 100 mm，排距900 mm;右幫位于最頂部布設的錨桿的位置距離巷道頂部巖層150 mm,并且傾斜布置,傾斜角15°;左幫位于最底部布設錨桿位置距離巷道底部巖層150 mm。

3 巷道破壞現狀及特征

9107工作面回風巷由于埋藏得較深,巷道周圍巖體表現出部分軟弱巖體的性質,距離巷道比較近的部分巖層圍巖展現出破碎松散的形態[1-3]。地殼因巷道開挖的影響,長時間經過日積月累形成的某一種平衡狀態受到了破壞,當受到外界動載的影響產生相應的應變能,應變能在受到破壞后會釋放出來,致使原先穩定的地應力平衡破壞,引起應力的重新布置,巷道周圍巖層受到的影響范圍比較大,產生明顯的形變破壞,隨著開挖巷道時間的延長,巷道周圍巖層發生的破壞變形也增大。

9107工作面回風巷在應力集中程度比較高的情況下,巖石產生許多明顯的裂隙,發生破壞,這些已有的裂隙一旦連通,已經破碎的巖體就會垮落下來,相應的支護也會隨之失去應有的支護效果,周圍巖體發生嚴重的松動變形。原先使用錨網索支護的9107工作面回風巷也受到應力集中的影響,桿件失效,周圍巖層地質條件的復雜性給巷道支護帶來了巨大的挑戰[4-5],特別是在距離巷道比較近的位置,這種松散破碎狀態極易引發9107工作面回風巷巷道失去原有的穩定性,造成安全生產隱患,因此,急需對原有的巷道支護情況進行優化。

4 9107工作面回風巷支護優化設計

優化后巷道采用錨桿錨索聯合支護,頂板錨桿長度依舊為2.4 m,直徑仍然為22 mm；巷道兩幫及頂板所需的錨桿加密,頂錨桿間距縮小為0.85 m,排距不變;頂錨索及左幫錨索長度和直徑不變,左幫錨桿的間距縮小為800 mm,錨桿直徑和長度不變;右幫錨桿的間距縮小為1 000 mm,排距不變,幫錨索長度和直徑不變。

圖3 運輸巷支護優化布置圖Fig.3 Layout of supporting optimization in transportation roadway

5 支護優化后巷道變形情況模擬

5.1 FLAC3D數值模擬模型建立

巷道發生嚴重變形的主要原因是由于受到巷道周圍巖體的壓力和巷道所采取的支護手段等外部和內部條件的影響[6-7]。為了檢測支護優化后巷道的變形情況,運用FLAC3D數值模擬軟件進行數值驗證。結合實際的生產地質情況,建立長×高×寬分別為150.00 m×84.98 m×150.00 m的數值模型進行三維空間的運算模擬,模型對巷道四周進行加密,模型共劃分161 448節點,151 800個單元格,平均容重取25 kN/m3,各巖層類型按照實際煤層從高到底順序分組,巖層實際參數按實驗室所得巖石力學參數(如表1所示)進行賦值。

表1 9107工作面回風巷頂底板巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of roof and floor of the return airway on the 9107 working face

5.2 數值模擬結果分析

優化改進支護方案后的巷道周圍巖層水平應力、垂直應力的模擬結果如圖4、圖5所示。

(a)原支護方案

(b)優化支護后

(a)原支護下

(b)優化支護后

通過觀察圖4(b)圍巖水平應力云圖和圖5(b)圍巖垂直應力云圖可以發現,總體看來,優化后的支護系統滿足了巷道的支護要求。

根據圖4圍巖的水平應力分布云圖發現,當采用原始支護方案圖4(a)時,巷道頂板受到的水平應力峰值大約為23 MPa,巷道兩幫受到的最大水平應力約為12 MPa,靠近巷道兩幫的低應力區分布的范圍比較小,對比發現巷道兩幫及頂板所受水平應力分布在巷道中心線位置，呈近似均勻對稱分布,巷道兩個底角位置應力集中現象比較明顯。采用改進后的支護方案圖4(b)時,巷道頂板受到的水平應力峰值大約為14 MPa,巷道兩幫受到的最大水平應力約為5 MPa,靠近巷道兩幫的低應力區分布的范圍明顯增大,高應力區域范圍縮小,巷道兩幫及頂板所受的水平應力明顯變小。

根據圖5圍巖的垂直應力分布云圖發現,當采用原始支護方案圖5(a)時,巷道頂板受到的垂直應力峰值大約為25 MPa,巷道兩幫受到的最大垂直應力約為15 MPa,靠近巷道兩幫大部分區域受到的應力比較大,對比發現巷道兩幫及頂板所受垂直應力分布在巷道中心線位置，呈近似均勻對稱分布,巷道頂板位置應力集中現象比較明顯。采用改進后的支護方案圖5(b)時,巷道頂板受到的垂直應力集中區域明顯減小,峰值大約為20 MPa,巷道兩幫受到的最大水平應力約為12 MPa,靠近巷道兩幫的低應力區分布的范圍明顯增大,高應力區域范圍縮小,巷道兩幫及頂板所受的垂直應力明顯變小。

左側巷道采用改進的支護方案后,巷道圍巖高應力集中區域顯著減少,從巷道圍巖應力集中程度減少幅度上考慮,采用改進后的支護方案效果更好。

6 圍巖控制效果分析

6.1 支護受力監測

6.1.1頂板錨桿受力監測

根據圖6頂部巖層部分錨桿支護受力監測結果可以得出:

圖6 頂板錨桿受力監測曲線Fig.6 Force monitoring curves of roof bolts

1)從大致走向趨勢來分析,隨著時間的推移錨桿受力逐漸增大,布設在巷道頂部巖層兩端的錨桿整體承受的壓力比較小,布設在巷道中間部分的錨桿承受的壓力比較大,布設的錨桿起到了應有支護作用,控制住了巷道頂部巖層的下沉；

2)錨桿承受的壓力在5～20 kN范圍之內且沒有出現明顯的應力差,所以從巷道受力方面來講,優化后支護方案比較合理,發揮了錨桿的支護功效。

6.1.2兩幫錨桿受力監測

根據圖7幫部部分錨桿支護受力監測結果可以得出:

圖7 兩幫錨桿受力監測曲線Fig.7 Force monitoring curves of bolts on both sides

1)從大致走向來分析,幫部錨桿受力比起巷道頂部巖層的錨桿受到的支撐壓力大；

2)巷道兩個底角的錨桿受到的支撐壓力比別的位置的錨桿受力偏高,代表此處存在應力集中。

6.2 巷道圍巖變形監測

圖8為采用優化方案后的頂板和兩幫圍巖移近量曲線。

圖8 優化方案圍巖移近量曲線Fig.8 Surrounding rock convergence curves of the optimization plan

根據巷道周圍巖層移近量的監測曲線可以得出:

1)使用改進后的支護方案時,巷道位移量明顯減小,在距離工作面 65 m 的位置處,巷道頂部巖層、底部巖層、左幫和右幫的位移量分別減小到68.00 mm、26.30 mm、45.12 mm、44.98 mm;

2)隨著距離工作面的距離逐漸縮小,在距離工作面 15 m 的位置處,巷道圍巖的位移突然變大,意味著距離工作面0～15 m的范圍內受到采動的影響比較強烈,但比起優化支護之前巷道圍巖位移量明顯減小,說明優化支護方案有效。但進入工作面超前 15 m 的位置時,應加強對巷道的主動支護,以保證巷道穩定。

7 結論

王莊煤礦9107綜采工作面回風巷經過實際勘測后,發現巷道受頂部巖層來壓以及周圍巷道掘進的影響,圍巖變形量大,破碎嚴重，錨桿錨索支護強度不夠,部分錨桿和錨索沒有發揮其應有的支護作用,所以對巷道的支護措施進行改進、補強。經過數值模擬分析，并對改進后的支護措施進行實地勘測,發現9107工作面回風巷圍巖變形情況明顯減小。