回采巷道掘進(jìn)過圍巖破碎帶支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

郭海明

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四明山煤礦，山西 晉城 048400）

回采巷支護(hù)措施不當(dāng)，后期變形嚴(yán)重甚至垮塌，導(dǎo)致通風(fēng)不暢、運(yùn)輸受阻，會(huì)嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)及生產(chǎn)效率。影響回采巷支護(hù)的主要因素為地質(zhì)原因，當(dāng)巷道掘進(jìn)通過斷層、褶皺等構(gòu)造時(shí)，圍巖破碎嚴(yán)重，如果不進(jìn)行支護(hù)措施優(yōu)化，極易導(dǎo)致巷道局部變形嚴(yán)重。四明山煤礦9111 工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中遇到F2 斷層，圍巖破碎嚴(yán)重，采用原設(shè)計(jì)支護(hù)施工過程中，出現(xiàn)錨桿底部著力點(diǎn)失穩(wěn)、圍巖變形嚴(yán)重、底鼓嚴(yán)重的現(xiàn)象。為解決以上問題，采用COMSOL 軟件對(duì)區(qū)域圍巖進(jìn)行模擬[1-8]，制定巷道支護(hù)優(yōu)化措施，進(jìn)行后期效果考察研究。

1 概況

山西晉煤集團(tuán)四明山煤礦為低瓦斯礦井，核定產(chǎn)能為120 萬t/a，礦井采用斜井開拓，采用綜合機(jī)械化開采。礦井主采煤層為9#煤層，平均厚度1.45 m。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.25 m；底板為泥巖，平均厚度1.12 m。煤層傾角2°～6°。備采面9111 工作面走向長(zhǎng)度1227 m，切眼長(zhǎng)度200 m。9111 運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)斷面為矩形斷面，斷面尺寸：凈寬×凈高=4500 mm×2500 mm（毛寬×毛高=4700 mm×2600 mm），S凈=11.25 m2（S掘=12.22 m2），采用錨桿支護(hù)方式。支護(hù)設(shè)計(jì)圖如圖1。支護(hù)完成后安裝LBY-3T 型頂板離層儀觀測(cè)頂板。

圖1 9111 運(yùn)輸巷支護(hù)措施

2 圍巖數(shù)值模擬研究

9111 運(yùn)輸順槽通過F2 斷層位置，頂板破碎嚴(yán)重，對(duì)該區(qū)域頂板、底板、兩幫進(jìn)行巖心取樣，進(jìn)行圍巖基本參數(shù)測(cè)定及破壞性試驗(yàn)研究。對(duì)圍巖加載100 MPa 的載荷，持續(xù)加載5 h，得到圍巖變化效果圖如圖2，測(cè)得圍巖基本參數(shù)見表1。

圖2 破壞性試驗(yàn)研究效果圖

根據(jù)豎向加載荷試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)圍巖承受100 MPa 的應(yīng)力時(shí)，圍巖產(chǎn)生的裂紋主要為豎向裂紋，豎向裂紋延伸至整個(gè)斷面。

根據(jù)9111 運(yùn)輸巷斷面設(shè)計(jì)和支護(hù)措施進(jìn)行數(shù)值模擬研究，采用軟件COMSOL 進(jìn)行模擬運(yùn)算，模擬參數(shù)如表1 所示。

表1 模擬參數(shù)表

根據(jù)測(cè)試，9111 運(yùn)輸巷頂板承受的應(yīng)力為100 MPa，模擬過程為瞬態(tài)過程，模擬時(shí)間長(zhǎng)度為15 d，步長(zhǎng)為1 d。模擬得出9111 運(yùn)輸順槽斷面應(yīng)力3 d、15 d 時(shí)圍巖應(yīng)力分布云圖如圖3。

由圖3 可知，9111 運(yùn)輸順槽在第3 天時(shí)頂板應(yīng)力主要分布在終端，應(yīng)變范圍為頂板上方1.5 m，承受最大應(yīng)力為9×107Pa；第15 天時(shí)，頂板應(yīng)力豎向范圍增大到3.5 m，頂板承受的最大應(yīng)力為1×108Pa。目前支護(hù)措施承受的極限載荷為0.35 MPa，頂板在第15 天左右將出現(xiàn)大面積垮落。

圖3 9111 運(yùn)輸順槽圍巖應(yīng)力分布演化圖

綜合分析試驗(yàn)研究和模擬研究成果可知，導(dǎo)致巷道圍巖垮落的主要因素為豎向應(yīng)力，豎向應(yīng)力對(duì)圍巖所產(chǎn)生的剪切力會(huì)產(chǎn)生蠕變裂紋，隨著應(yīng)力載荷持續(xù)增加，蠕變裂紋形成裂隙，最終分層垮落。

3 支護(hù)措施優(yōu)化

根據(jù)數(shù)值模擬研究成果可知，目前支護(hù)措施無法滿足巷道支護(hù)要求，需制定加固措施。9111 運(yùn)輸順槽支護(hù)措施主要支撐豎向應(yīng)力，因此需要增加豎向錨桿、進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)、頂板進(jìn)行工字鋼加固。錨桿采用Φ20 mm×2400 mm 的鋼制錨桿，錨網(wǎng)采用20 mm×20 mm 的鋼制錨網(wǎng)，噴漿所使用的漿液為水泥漿，水灰比為1:1.6，加速凝劑。頂板錨桿增加了2 根，工字鋼選用20a 型號(hào)工字鋼進(jìn)行支護(hù)，工字鋼支護(hù)排間距為1 m。優(yōu)化后的支護(hù)措施如圖4。

圖4 優(yōu)化后的支護(hù)措施

優(yōu)化后的支護(hù)措施增加了豎向支撐力，同時(shí)提高了巷道斷面支護(hù)措施的整體性。根據(jù)等比例試驗(yàn)結(jié)果顯示，該支護(hù)措施能夠承受2×108Pa 的豎向應(yīng)力載荷，可以滿足該區(qū)域支護(hù)要求。

4 效果考察

優(yōu)化后的支護(hù)措施施工完成后，隨即進(jìn)行后期效果考察。考察采用LBY-3T 型頂板離層儀進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)周期為1 d。通過觀測(cè)優(yōu)化后支護(hù)區(qū)域的頂板位移量，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5。

圖5 優(yōu)化措施頂板位移量

根據(jù)圖5 可知，優(yōu)化支護(hù)措施后，15 d 時(shí)頂板深部位移量達(dá)到最大值，最大值為74 mm，淺部在第15 天時(shí)位移量達(dá)到最大值，最大值為30 mm。位移量整體變形較小，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)未出現(xiàn)頂板垮落、變形嚴(yán)重現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

采用COSOL 軟件對(duì)9111 運(yùn)輸順槽斷面圍巖進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了斷面應(yīng)力演化規(guī)律，制定了支護(hù)措施，進(jìn)行了效果考察，得到以下結(jié)論：

（1） 矩形支護(hù)措施頂板15 d 承受最大應(yīng)力為1×108Pa，位移變形豎向區(qū)域?yàn)?.5 m。

（2） 優(yōu)化支護(hù)措施主要為增加豎向錨桿數(shù)量，進(jìn)行工字鋼加固。

（3） 優(yōu)化支護(hù)措施后，頂板深部最大位移量為74 mm，淺部最大位移量為30 mm。

研究結(jié)果顯示，優(yōu)化后的支護(hù)措施完全可以滿足該區(qū)域支護(hù)要求。