81220工作面回采巷道布置位置及圍巖控制技術(shù)研究

周 強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司四臺(tái)礦，山西 大同 037000）

1 概況

大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四臺(tái)礦81220工作面位于14號(hào)煤層412盤區(qū)，工作面開采14#煤層，煤層平均厚度2.1 m，平均傾角3°，頂?shù)装鍘r層特征如表1。工作面上部為12#煤層采空區(qū)，12#煤層均厚為1.3 m，其與14#煤層間距離為6.0～15 m。51220巷為81220工作面提供運(yùn)輸、行人等服務(wù)，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，斷面為矩形，凈寬×凈高=3.8 m×2.7 m。由于巷道在采空區(qū)下進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，為保障巷道圍巖穩(wěn)定，特進(jìn)行巷道合理布置位置及支護(hù)方案的研究。

表1 頂?shù)装鍘r層性質(zhì)表

2 巷道布置位置分析

根據(jù)礦井地質(zhì)資料及工程實(shí)踐可知[1-2]，14#煤層回采巷道間的區(qū)段煤柱寬度為6 m，為將巷道避開12#煤層遺留煤柱的應(yīng)力集中區(qū)域，確定巷道與上部遺留煤柱間的合理錯(cuò)距，現(xiàn)采用理論分析+數(shù)值模擬進(jìn)行分析。

2.1 數(shù)值模擬分析

采用CRISP巖土軟件，根據(jù)81220工作面地質(zhì)條件，建立模型長87 m，左側(cè)和右側(cè)寬度分別為46.2 m和44.2 m，設(shè)置采空區(qū)寬度47 m。固定模型兩側(cè)邊界x向速度及位移，模型底部x、y兩個(gè)方向速度及位移固定，模型頂部施加作用于12號(hào)煤層的覆巖容重及集中應(yīng)力，模型采用4節(jié)點(diǎn)的四邊形單元體，根據(jù)地質(zhì)條件對(duì)頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。具體數(shù)值模型幾何尺寸如圖1。

圖1 數(shù)值模型幾何尺寸示意圖

根據(jù)眾多理論研究及工程實(shí)踐結(jié)果可知[3-4]，在近距離煤層下部煤層中進(jìn)行巷道布置時(shí)，應(yīng)使巷道布置于上部煤層采空區(qū)下方的低應(yīng)力區(qū)域，利于巷道圍巖的控制。現(xiàn)主要分析巷道與上覆遺留煤柱間的合理錯(cuò)距，對(duì)底板巖層不同位置進(jìn)行巷道布置時(shí)圍巖應(yīng)力分布狀況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算研究。在數(shù)值模擬過程中，對(duì)81220工作面兩條順槽距離上部煤層煤壁不同位置進(jìn)行開挖計(jì)算，計(jì)算模型中兩條巷道與上部煤層煤壁的不同錯(cuò)距分別為5 m、6 m、7 m、8 m。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出圍巖垂直應(yīng)力云圖如圖2。

圖2 巷道上覆遺留煤柱不同錯(cuò)距下垂直應(yīng)力分布圖

分析圖2可知，巷道開挖后與巷道開挖前相比，受上部煤層中遺留煤柱的影響，距離煤柱煤壁一定范圍內(nèi)產(chǎn)生高應(yīng)力，導(dǎo)致巷道頂?shù)装寮皟蓭退軕?yīng)力均不相同。下部煤層兩條回采巷道均是靠近煤柱側(cè)的垂直應(yīng)力大于工作面?zhèn)龋诿褐罕趥?cè)下方產(chǎn)生應(yīng)力集中，下部回采空間側(cè)同樣有高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)。從圖中能夠看出當(dāng)錯(cuò)距在5～6 m時(shí)，圍巖垂直應(yīng)力分布情況基本相似，當(dāng)錯(cuò)距大于6 m時(shí)，巷道圍巖垂直應(yīng)力出現(xiàn)進(jìn)一步增大的趨勢(shì)。基于上述分析，確定巷道布置在12#煤層采空區(qū)下方與上部遺留煤柱間合理錯(cuò)距為6 m。

2.2 理論分析

根據(jù)近距離煤層開采相關(guān)理論可知[5-6]，12#煤層開采后在底板中的應(yīng)力影響范圍臨界值可采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：h1為近距離煤層間垂直層間距；h2為開采煤層的厚度；φ為上覆煤體回采后的垮落角。根據(jù)工作面地質(zhì)條件取h1=12 m，h2=2.1 m，φ=21°。代入上式計(jì)算得出L=5.4 m，即12#煤層遺留煤柱在下覆巖層中的應(yīng)力影響范圍為煤柱外部5.4 m范圍。則在14#煤層內(nèi)布置工作面時(shí)，其回采巷道應(yīng)與上覆12#煤層采空區(qū)遺留煤柱外錯(cuò)5.4 m布置，這樣下部回采巷道在使用過程中受上部遺留煤柱的影響較小。

綜合上述分析，基于14#煤層的賦存特征，最終確定將81220工作面運(yùn)輸順槽（51220巷）錯(cuò)開上方12#煤層保護(hù)煤柱6 m左右位置布置較為合理。

3 圍巖控制方案及效果

3.1 圍巖控制方案

根據(jù)81220工作面的地質(zhì)條件可知，由于51220巷道位于采空區(qū)下部，巷道上覆頂板巖層相對(duì)較為破碎，確定巷道圍巖為Ⅳ類較不穩(wěn)定圍巖[7-8]，因此在進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì)時(shí)需加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度。結(jié)合巷道內(nèi)錯(cuò)上覆采空區(qū)6 m時(shí)的應(yīng)力分布云圖，綜合確定巷道支護(hù)方案為錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼帶的聯(lián)合支護(hù)方案，具體支護(hù)方案中的各項(xiàng)參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)。錨桿采用Ф22 mm×2200 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為850 mm×800 mm，預(yù)緊力矩不小于300 N?m；錨索采用Ф21.8 mm×6000 mm的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線，間排距為1600 mm×1500 mm，預(yù)緊力≥200 kN；錨桿索之間采用W型鋼帶連接，采用10#鐵絲網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂。

（2）兩幫支護(hù)。兩幫錨桿采用Φ22 mm、L=2200 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×800 mm，預(yù)緊力矩不小于200 N?m；錨桿之間采用W型鋼帶聯(lián)結(jié)，兩幫同樣采用10#鐵絲進(jìn)行護(hù)幫作業(yè)。

具體巷道支護(hù)方案如圖3。

圖3 巷道支護(hù)斷面圖

3.2 效果分析

為分析51220巷的圍巖控制效果，在巷道掘進(jìn)期間布置礦壓監(jiān)測點(diǎn)，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行巷道圍巖變形量的監(jiān)測分析，采用錨桿索測力計(jì)進(jìn)行錨桿（索）受力變形的監(jiān)測分析。錨桿索測點(diǎn)布置在滯后巷道掘進(jìn)迎頭8 m位置處。

（1）圍巖變形量分析。根據(jù)圍巖變形的監(jiān)測結(jié)果，得出圍巖變形量及變形速率隨掘出時(shí)間的曲線圖如圖4。

圖4 圍巖變形量及變形速率曲線圖

分析圖4可知，巷道圍巖變形主要出現(xiàn)在掘出后的0～10 d，在該期間頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平俾史謩e可達(dá)16 mm/d和10 mm/d；當(dāng)巷道掘出后10～20 d內(nèi)，巷道圍巖變形趨于緩和；20 d后，受巷道所處區(qū)域地質(zhì)環(huán)境變化的影響，巷道圍巖再次出現(xiàn)快速變形；當(dāng)巷道掘出40 d后，巷道頂?shù)装寮皟蓭屠塾?jì)移近量分別為115 mm、80 mm。

（2）錨桿索受力分析。根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的錨桿索受力監(jiān)測結(jié)果，能夠繪制出錨桿索受力曲線圖如圖5所示。

圖5 錨桿索受力曲線圖

分析圖5可知，巷道兩幫和頂板的錨桿（索）受力隨時(shí)間的變化基本呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，監(jiān)測時(shí)間越長，錨桿（索）的受力也越大。錨桿（索）在支護(hù)完成2～3 d后其受力開始明顯增加；3～10 d內(nèi)錨桿（索）受力急劇上升，該段時(shí)間也是巷道圍巖主要變形期；10 d后錨桿（索）受力變化逐漸趨于緩和，受力變形緩慢增加；30 d后錨桿、錨索的受力基本趨于穩(wěn)定，逐步形成一個(gè)共同的承載結(jié)構(gòu)來維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定。頂部和兩幫錨桿受力穩(wěn)定后，所受最大拉力分別為95 kN、90 kN、78 kN，頂板錨索受力為108 kN，受力均處于正常狀態(tài)。由上述錨桿（索）受力變形曲線圖可知，2個(gè)測點(diǎn)的肩部錨桿受力均是左肩大于右肩。

綜合上述分析可知，51220巷道在現(xiàn)有布置位置及支護(hù)方案下能夠有效控制圍巖的變形，保障巷道圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

根據(jù)51220巷的地質(zhì)條件，通過理論分析和數(shù)值模擬確定巷道的合理布置位置為采空區(qū)下方內(nèi)錯(cuò)6 m。結(jié)合巷道布置位置的分析結(jié)果，設(shè)計(jì)巷道采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼帶的聯(lián)合支護(hù)方案。通過礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，巷道在現(xiàn)有布置位置及支護(hù)方案下可有效保障巷道圍巖的穩(wěn)定。