兩渡煤業21018回采巷道圍巖控制技術研究及應用

李峰峰

(山西汾西礦業集團兩渡煤業有限責任公司,山西 晉中 032000)

基于我國的基本國情,煤炭資源在我國一次性能源消費結構中一直占據主導地位[1-2]。隨著近年來煤炭開采技術及設備的不斷提升,煤炭開采強度、深度不斷增大,如何安全、高效的進行巷道支護成為了各大煤礦企業的關注重點[3-5]。本文以兩渡煤業準備掘進的21018回采巷道為工程背景,對巷道圍巖控制技術進行了研究。

1 工程概況

兩渡煤業目前主采9號煤層,平均厚度1.18 m,平均傾角為2°.直接頂巖層為均厚1.25 m的泥巖,老頂巖層為均厚5.6 m的石灰巖,直接底巖層為均厚2.0 m的砂質泥巖,老底巖層為均厚3.8 m的泥巖。9號煤層及其頂底板巖層厚度如表1所示。

表1 9號煤層及其頂底板巖層厚度

目前,兩渡煤業準備掘進的21018回采巷道設計為矩形巷道,斷面尺寸為寬×高=4.0 m×3.2 m,為保證21018回采巷道支護效果,對其原有支護方案進行優化設計。

2 支護方案優化設計

為制定合理的巷道支護方案,借助FLAC3D數值模擬軟件,對兩渡煤業21018回采巷道支護效果進行分析,9號煤層及其頂底板巖層物理力學參數如表2所示。

表2 9號煤層及其頂底板巖層物理力學參數

根據兩渡煤業9號煤層地質條件構建數值模型,模型尺寸為長×寬×高=270 m×144 m×50 m,上表面直接15.6 MPa的垂直應力,其余各表面均施加位移約束。

2.1 原支護方案支護效果

21018回采巷道原設計采用錨桿(索)聯合支護的方式,頂板采用Φ20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距為1 000 mm×1 000 mm,邊錨桿與豎直方向夾角為10°.錨索為Φ18.9 mm×7 300 mm的普通鋼絞線,兩幫選用Φ18 mm×1 800 mm的右旋等強螺紋鋼錨桿,間排距為1 000 mm×1 000 mm,為保證巷道圍巖的整體支護效果,巷道頂板及兩幫均鋪設金屬網。巷道原支護方案如圖1所示。

圖1 21018回采巷道原支護方案(單位:mm)

在原支護設計條件下,巷道圍巖應力分布、位移及塑性區范圍如圖2所示。

圖2 原支護方案支護效果

如圖2所示,在原支護方案條件下,巷道水平應力最大值為7.65 MPa,呈拋物線分布特點,垂直應力最大值為15.51 MPa,巷道兩幫變形量最大值為546 mm,頂板下沉量最大值為271 mm.根據數值模擬結果,巷道圍巖變形量較大,且塑性區范圍較大,一旦受到工作面回采動壓的影響,極易導致巷道圍巖大變形甚至出現圍巖失穩等情況,從而引發安全事故。因此,需提升21018回采巷道的支護強度以保證現場的安全生產。

2.2 巷道支護方案優化

根據數值模擬結果及鄰近礦井的支護經驗,對21018回采巷道支護方案進行優化,從提高支護強度的角度考慮,設計如下3種支護方案,如表3所示。

表3 優化后支護方案

借助FLACD3D數值模擬軟件,對上述3種支護方案的支護效果進行分析研究,不同支護方案條件下,巷道圍巖應力分布、位移及塑性區范圍如圖3～圖5所示。

圖3 不同方案條件下巷道圍巖應力分布

圖4 不同方案條件下巷道圍巖位移分布

圖5 不同方案條件下巷道圍巖塑性區范圍

根據數值模擬結果,優化后不同方案條件下巷道圍巖應力及位移分布統計數據如表4所示。

表4 各支護方條件下巷道圍巖應力及位移分布

根據數值模擬結果,在方案2條件下,巷道圍巖變形仍然較大,頂板下沉量最大值為346.7 mm,兩幫移近量為70.2 mm,而且巷道兩幫出現了明顯的應力集中現象,說明方案2并未有效約束巷道圍巖變形,巷道圍巖塑性區范圍仍然較大,在工作面采動影響下巷道圍巖仍有失穩的風險。與方案2相比,方案1及方案3對巷道圍巖約束效果明顯更佳。對比分析方案1及方案3,方案3在方案1的基礎上,支護強度更大,但是巷道頂板下沉量最大值僅比方案1減小了0.4 mm,兩幫變形量最大值僅比方案1減小了2.6 mm,幾乎可以忽略不計,但是支護成本卻比方案1增加許多。以21018回采巷道長度1 200 m計算,頂板錨桿方案3比方案1多使用約5 828根,幫錨桿方案3比方案1多使用5 142根,頂板錨索方案3比方案1多使用1 026根。因此,綜合考慮支護投入及支護效果,方案1為最優支護方案。

3 現場試驗

為驗證方案1的現場支護效果,在21018回采巷道進行現場試驗,在方案1支護條件下,對巷道圍巖變形量進行現場監測,在21018回采巷道掘進工作面后方50 m及100 m位置布置兩個巷道圍巖變形監測點,現場監測數據如圖6所示。

圖6 21018回采巷道圍巖變形監測曲線

現場監測數據顯示,優化后方案支護條件下,當巷道圍巖趨于穩定狀態后,1號測點巷道頂板下沉量最大值為33.4 mm,兩幫變形量最大值為9.7 mm,2號測點巷道頂板下沉量最大值為32.6 mm,兩幫變形量最大值為7.8 mm,在巷道掘進過程中巷道圍巖穩定性良好,表明前述支護方案合理可行,可以對巷道圍巖起到有效的約束作用。

4 結 語

本文以兩渡煤業為工程背景,采用理論分析、數值模擬及現場試驗的方法,對21018回采巷道原有支護方案進行了優化設計,得到以下結論:

1) 原支護方案支護強度較低,對巷道圍巖無法起到有效的約束作用,巷道圍巖變形量較大。

2) 在原有支護方案基礎上,增加支護密度,綜合考慮支護成本,優化后的支護方案如下:頂錨桿規格為Φ20 mm×2 500 mm,間排距為900 mm×700 mm,頂錨索規格為Φ18.9 mm×8 300 mm,間排距為1 600 mm×1 400 mm,幫錨桿規格為Φ20 mm×2 200 mm,間排距為900 mm×700 mm.

3) 通過現場試驗,優化后的支護方案可有效約束巷道圍巖變形,巷道圍巖變形量不大,可滿足現場的安全生產需求。