軟煤硬頂?shù)拇髷嗝婷合镒冃纹茐臋C(jī)理及控制研究

李 慧

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

王家莊煤礦為改擴(kuò)建礦井，正在開(kāi)拓15號(hào)煤層，頂板為K2石灰?guī)r的堅(jiān)硬頂板，煤質(zhì)軟，巷道形成20 d后就產(chǎn)生片幫，2月后片幫更加嚴(yán)重，經(jīng)分析，軟煤堅(jiān)硬頂板是工程建設(shè)的主要問(wèn)題。堅(jiān)硬頂板具有節(jié)理裂隙不發(fā)育、整體性好、強(qiáng)度高、厚度大等特點(diǎn)，其礦壓顯現(xiàn)較其它頂板更為強(qiáng)烈，是長(zhǎng)期以來(lái)困擾采礦界的一大難題。由于頂板堅(jiān)硬、煤質(zhì)軟，巷道開(kāi)挖后形成“簡(jiǎn)支梁”結(jié)構(gòu)，易造成煤壁片幫或整體下沉。本文以王家莊煤礦150101運(yùn)輸順槽為例，研究軟煤堅(jiān)硬頂板大斷面煤層巷道的變形破壞機(jī)理，提出了合理的巷道支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)，能為煤礦安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦業(yè)工程地質(zhì)概況

王家煤礦15號(hào)煤層厚4.15～5.03 m、平均4.32 m，傾角5～9°，平均埋深206m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含1層夾矸。頂板為K2石灰?guī)r，厚度為5.60～9.50m、平均7.45 m，穩(wěn)固性好。底板為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，厚10.30～15.70m、平均12.90m。巷道沿煤層頂板掘進(jìn)、全煤巷布置，矩形斷面，凈寬4.4m，凈高4.3m，凈斷面積18.92m2，錨網(wǎng)支護(hù)。采用φ18mm×2000mm型全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，頂錨桿間排距2000mm×1000mm；幫錨桿間排距900mm×900mm。巷道掘進(jìn)期間，兩幫變形較大、片幫嚴(yán)重；若進(jìn)入回采期間，由于受超前支承壓力的影響及應(yīng)力場(chǎng)的重新分布，破壞程度可能會(huì)加劇，因此需加強(qiáng)巷道管理與支護(hù)。

2 變形破壞機(jī)理分析

2.1 變形破壞數(shù)值模型的建立

根據(jù)15號(hào)煤層賦存條件及圍巖特性，采用離散元分析軟件UDEC建立數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖1，模型左、右邊界為鉸支，底部固支，上部為自由面，按所受覆巖的垂直應(yīng)力計(jì)算。煤、巖物理力學(xué)特性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果取其平均值，如表1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

表1 煤、巖物理力學(xué)性能表

2.2 變形破壞數(shù)值模擬的分析

巷道開(kāi)挖后，在無(wú)任何材料支護(hù)的情況下，其圍巖變形破壞及應(yīng)力分布，見(jiàn)圖2。根據(jù)圖2結(jié)果分析看出：

圖2 無(wú)支護(hù)時(shí)的圍巖變形破壞及應(yīng)力分布圖

1）巷道變形破壞范圍大。主要發(fā)生在巷道兩幫、兩幫與底板交匯處，尤其兩幫較為嚴(yán)重，甚至發(fā)生整體性的片幫，頂板破壞程度很小。巷道變形破壞先從兩幫開(kāi)始，接著發(fā)生底臌，但對(duì)頂板影響不大。

2）兩幫變形量大于頂板變形量。兩幫最大變形量達(dá)130 mm，頂板變形量?jī)H6 mm，說(shuō)明頂板完整性好、兩幫受載大，形成“簡(jiǎn)支梁”承載結(jié)構(gòu)。由于煤質(zhì)軟，承載能力有限，導(dǎo)致兩幫變形，隨著頂板與覆巖的運(yùn)移及應(yīng)力場(chǎng)的重新分布，將會(huì)引起兩幫變形破壞加大，甚至整體下沉。

3）應(yīng)力較集中。圍巖應(yīng)力主要集中于巷道兩幫與頂、底板的交匯處，最大水平應(yīng)力10 MPa，最大垂直應(yīng)力8MPa，最大剪應(yīng)力15MPa。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道開(kāi)挖后的實(shí)際情況與數(shù)值模擬結(jié)果看出，造成巷道圍巖變形破壞的主要原因是：煤體強(qiáng)度低、圍巖承載能力低，巷道兩幫是圍巖控制重點(diǎn)。

3 支護(hù)方案數(shù)值模擬的分析

通過(guò)上述煤巷變形破壞機(jī)理可知：頂板變形破壞程度小，可對(duì)其不支護(hù)，但考慮到頂板可能會(huì)因暴露時(shí)間較長(zhǎng)產(chǎn)生風(fēng)化或遇破碎帶、構(gòu)造帶產(chǎn)生脫落等現(xiàn)象，因此確定對(duì)其采用錨網(wǎng)支護(hù)。每排設(shè)3根錨桿，采用φ18mm×2000mm型全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，間排距2000mm×1000mm。對(duì)于兩幫，由于煤體軟，需加強(qiáng)支護(hù)，根據(jù)理論計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，兩幫采用錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿為φ18mm×2400mm型全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，間排距850 mm×800 mm，金屬網(wǎng)全用10號(hào)鐵絲編制，網(wǎng)格100mm×100mm。

根據(jù)確定的支護(hù)方式與參數(shù)，采用數(shù)值模擬對(duì)其圍巖變形與破壞進(jìn)行分析，見(jiàn)圖3。根據(jù)圖3結(jié)果分析看出：

圖3 支護(hù)后的圍巖變形破壞及應(yīng)力分布圖

1）巷道整體穩(wěn)定性能明顯提高，變形破壞程度減小，尤其是兩幫的完整性保持較好，兩幫與底板交接處的變形破壞程度大大降低。

2）應(yīng)力集中區(qū)域有了變化，主要分布于巷道頂板、兩幫與頂板交匯處，最大水平應(yīng)力9 MPa，最大垂直應(yīng)力4.5MPa，最大剪應(yīng)力4MPa。可見(jiàn)，由于錨桿的擠壓加固作用，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)后，擴(kuò)大了固化區(qū)域，使兩幫松軟煤體得以加固，改善了巷道的穩(wěn)定性。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

針對(duì)軟煤堅(jiān)硬頂板大斷面煤巷的變形破壞與支護(hù)效果，優(yōu)化了王家莊煤礦150101運(yùn)輸順槽的支護(hù)參數(shù)：幫錨桿采用φ18mm×2400mm型全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，間排距850 mm×800 mm；頂錨桿仍用φ18 mm×2 000 mm型全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，間排距2 000 mm×1 000 mm，頂角錨桿與水平面夾角70°；金屬網(wǎng)全用10號(hào)鐵絲編制，網(wǎng)格100 mm×100 mm；采用φ130mm×10mm的圓形鐵托盤(pán)。

為了監(jiān)測(cè)巷道支護(hù)參數(shù)改變后的變形，分別在頂板及兩幫設(shè)置了三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，巷道頂板下沉量4 mm，兩幫最大移近量105 mm和102 mm，頂板下沉量和兩幫移近量都有降低，片幫現(xiàn)象得到改善。可見(jiàn)，通過(guò)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，巷道圍巖的變形得到一定控制，錨桿長(zhǎng)度和間距的變化能增大錨固范圍，對(duì)改善圍巖穩(wěn)定性起了重要作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用UDEC軟件數(shù)值模擬分析，指出了無(wú)支護(hù)條件下巷道圍巖變形破壞的主要原因：煤體強(qiáng)度低、圍巖承載能力低。

2）提出了巷道的支護(hù)方案，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)后提高了圍巖的穩(wěn)定性，圍巖變形得到很好控制，頂板、兩幫的變形量分別降低33%、19%和21%，片幫現(xiàn)象得到明顯改善。

3）以優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)為指導(dǎo)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明：錨桿長(zhǎng)度和間距等的改變，增大了錨固范圍，改善了圍巖穩(wěn)定性，取得了顯著效果。

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