復(fù)雜條件下沿空掘巷圍巖控制技術(shù)研究

俞宏慶朱春偉宛志紅陳 磊

(1.河南焦煤能源有限公司中馬村礦,河南省焦作市,454171; 2.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽省淮南市,232001)

復(fù)雜條件下沿空掘巷圍巖控制技術(shù)研究

俞宏慶1朱春偉1宛志紅1陳 磊2

(1.河南焦煤能源有限公司中馬村礦,河南省焦作市,454171; 2.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽省淮南市,232001)

針對中馬村礦2333工作面復(fù)雜條件下沿空掘巷工程中存在的巷道圍巖控制技術(shù)難題,進(jìn)行了大斷面沿空掘巷錨索網(wǎng)支護(hù)方案設(shè)計(jì),并采用UDEC二維數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證,結(jié)果表明錨網(wǎng)索支護(hù)方案可有效減小巷道變形,但是巷道煤柱側(cè)幫變形嚴(yán)重,因而增加實(shí)施深淺孔注漿及噴漿工藝對巷道煤柱側(cè)幫進(jìn)行加固。工程實(shí)踐表明錨索網(wǎng)支護(hù)、巷幫注漿及噴漿方法的聯(lián)合使用有效控制了巷道變形。

近距離煤層 沿空掘巷 錨索網(wǎng)支護(hù) 圍巖控制 數(shù)值模擬

有些礦區(qū)深部煤層中煤層間距較近,而在近距離煤層開采中,存在諸多技術(shù)難題。因此需要針對近距離煤層復(fù)雜工程地質(zhì)條件下的沿空掘巷進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì),以保證巷道的安全使用。

1 工程概況

中馬村礦2333工作面位于西二采區(qū),開采3＃煤層,工作面南部為已采完的2324和2323工作面,北以設(shè)計(jì)標(biāo)高為準(zhǔn),東起西二采區(qū)上山,西以F212－1斷層為界,2323工作面上部為2324工作面采空區(qū)。2333工作面標(biāo)高－370～－440 m, 2333工作面回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長度為1250 m,位于2324采空區(qū)煤柱下方,2323采空區(qū)邊界留15 m邊界煤柱,工作面回風(fēng)巷跟頂掘進(jìn),巷道斷面寬5.2 m、高3.4 m。2333工作面及其相鄰采空區(qū)空間位置示意圖見圖1。

2333工作面老頂為砂質(zhì)泥巖和4＃煤層,砂質(zhì)泥巖平均厚度為2.8 m,4＃煤層平均厚度為1.8 m,粉末狀為主,半暗型;直接頂為砂質(zhì)泥巖與粉細(xì)砂巖互層,平均厚度為7.6 m;直接底為泥巖,平均厚度為7.0 m;老底為砂質(zhì)泥巖,平均厚度為4.6 m,3＃煤層平均厚度3.2 m。

圖1 2333工作面位置示意圖

2 巷道支護(hù)難點(diǎn)分析及技術(shù)對策

2.1 巷道支護(hù)難點(diǎn)

(1)2333工作面頂板圍巖穩(wěn)定性差。2333工作面直接頂板為5.6 m的砂泥巖互層結(jié)構(gòu),成分主要以砂質(zhì)泥巖為主,其間夾有厚0.2～0.4 m粉細(xì)砂巖薄層,且該層垂向裂隙發(fā)育,局部巖性破碎。

(2)2333工作面回風(fēng)巷頂板受上覆2324采空區(qū)和相鄰2323采空區(qū)煤柱支承應(yīng)力疊加共同作用,回風(fēng)巷圍巖破壞嚴(yán)重。

(3)2333回風(fēng)巷與2324采空區(qū)的局部區(qū)域?qū)娱g距小于6 m,2333回風(fēng)巷的頂板錨索可能會(huì)穿透頂板而導(dǎo)致頂板淋水,而且還可能由于錨索沒有著力點(diǎn),導(dǎo)致頂板巖梁離層整體垮落。

2.2 巷道支護(hù)技術(shù)對策

(1)2333回風(fēng)巷設(shè)計(jì)采用錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)方法。錨桿和錨索均采用組合支護(hù)形式錨固,以增大錨桿和錨索的護(hù)表面積,減輕單體錨桿或錨索因與圍巖局部接觸產(chǎn)生的點(diǎn)載荷作用而造成圍巖擠壓破壞,同時(shí)可以有效提高頂板支護(hù)的整體性,有利于維護(hù)頂板的完整。

(2)由于2333回風(fēng)巷頂板層間距厚度不同,通過改進(jìn)頂板錨索的布置方式,使頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)體形成類似于桁架的斜拉結(jié)構(gòu),可避免頂板整體垮落。

3 大斷面沿空掘巷錨索網(wǎng)支護(hù)技術(shù)方案

為了保證2333回風(fēng)巷沿空掘巷的安全,進(jìn)行了大斷面沿空掘巷錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計(jì)。巷道斷面、頂板和兩幫的支護(hù)參數(shù)見圖2。

圖2 2333回風(fēng)巷錨索網(wǎng)支護(hù)技術(shù)

(1)巷道頂板支護(hù)參數(shù)。頂板采用長2.4 m的16＃槽鋼和長5.0 m的W鋼帶交叉且居中布置,每根槽鋼布置3根錨索,且3根錨索垂直頂板布置;W鋼帶中既安裝錨索也安裝錨桿,錨索按照2－0布置,錨索靠兩頭布置,兩頭各布置1根,與4根錨桿組合,錨索與頂板成80°外扎,錨索規(guī)格為?21.8 mm×6500 mm;W鋼帶中的錨桿按6－4布置,錨桿間排距940 mm×800 mm,錨桿規(guī)格為?22 mm×2500 mm;頂錨桿錨固長度不得小于1200 mm,安裝深度為2450 mm;金屬網(wǎng)為8＃鍍鋅鐵絲機(jī)械編制,金屬網(wǎng)規(guī)格為5800 mm×1000 mm,網(wǎng)孔為50 mm×50 mm。

(2)巷道兩幫支護(hù)參數(shù)。巷道高幫(煤柱側(cè)幫)采用1根長2.8 m W鋼帶搭接1根長1 m W鋼帶布置,每排布置5根錨桿;低幫(實(shí)體煤側(cè)幫)W鋼帶長2.8 m,每排布置4根錨桿;兩側(cè)巷道幫頂和幫底處各有1根錨桿為外扎15°布置,錨桿規(guī)格為?22 mm×2500 mm;另外,高幫(煤柱側(cè)幫)布置1排水平T梁組合錨索,低幫不布置;高幫一排錨索距底板距離為1.5 m;高幫水平錨索由長2.6 m的T型梁搭接連接,巷幫錨索規(guī)格為?21.8 mm×4300 mm。

4 錨索網(wǎng)支護(hù)數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模擬模型的構(gòu)建

以2333回風(fēng)巷為對象進(jìn)行錨索網(wǎng)支護(hù)參數(shù)合理選擇數(shù)值模擬計(jì)算。

模型兩側(cè)限制水平方向移動(dòng),模型底邊限制水平方向和垂直方向移動(dòng),模型上表面為應(yīng)力邊界。由于2333工作面標(biāo)高－370～－440 m,因此模型頂面施加10 MPa載荷用以模擬上覆巖體的自重, 2333回風(fēng)巷開采模型采用莫爾－庫侖(Mohr－Coulomb)準(zhǔn)則,計(jì)算采用的煤巖層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)以工作面綜合鉆孔巖性柱狀為依據(jù)。

模型尺寸500 m×230 m(寬×高),邊界煤柱寬度均為100 m。模型包括2個(gè)煤層,分別為3＃煤層和4＃煤層,工作面上覆4＃煤層與本工作面的3＃煤層的層間距取值10 m。2333工作面回風(fēng)巷左側(cè)為2323采空區(qū),煤柱寬度為15 m,其上為2324采空區(qū),采空區(qū)邊緣與2333工作面回風(fēng)巷平齊。2323工作面和2324工作面模擬開挖完畢后進(jìn)行2333回風(fēng)巷的開挖,2333回風(fēng)巷巷道斷面為5.2 m×3.4 m。開挖后即進(jìn)行錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù),模擬中的支護(hù)參數(shù)按照現(xiàn)場實(shí)際支護(hù)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)。

4.2 模擬結(jié)果分析

由于2323工作面和2324工作面的回采改變了原巖應(yīng)力分布,在工作面周邊一定范圍處形成應(yīng)力集中區(qū)。2333巷道開挖后,在巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵欢ǚ秶?由于應(yīng)力疊加形成應(yīng)力集中區(qū),煤柱側(cè)幫垂直應(yīng)力峰值為29.4 MPa,峰值區(qū)距巷道邊緣約3.4 m,實(shí)體煤側(cè)幫應(yīng)力峰值為22 MPa,峰值距巷道邊緣約3.5 m。

在2333回風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)肩窩和底角處出現(xiàn)部分拉伸破壞,但范圍較小,而煤柱側(cè)幫拉伸破壞范圍較大,巷道頂板和底板無拉伸破壞,說明錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案支護(hù)效果明顯。

由于受到2323工作面和2324工作面回采影響,2333回風(fēng)巷頂板最大下沉值為104 mm,底板最大底鼓量為289 mm,實(shí)體側(cè)幫最大位移值為302 mm,煤柱側(cè)幫最大位移為297 mm。

5 巷道煤柱側(cè)幫加強(qiáng)支護(hù)

通過數(shù)值模擬分析得知,巷道頂?shù)装遄冃纹茐姆秶淮?而煤柱側(cè)幫變形范圍大,且應(yīng)力集中程度高,因此需要針對巷道煤柱側(cè)幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),計(jì)劃采用注漿錨桿實(shí)施全長錨固或者采用常規(guī)錨桿和常規(guī)錨索配合噴注漿加固,以提高煤柱的承載能力。

為了增加2333回風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定,保持2333回風(fēng)巷斷面面積不變,減小巷道變形,并保證2333工作面的安全開采,實(shí)施了深淺孔分級注漿及噴漿工藝對2333煤柱側(cè)幫進(jìn)行加固。深、淺孔分級注漿設(shè)計(jì)平面圖見圖3。

圖3 深、淺孔分級注漿設(shè)計(jì)平面圖

(1)巷道掘進(jìn)后對煤柱側(cè)幫采用?22 mm× 2500 mm中空注漿錨桿按常規(guī)錨桿錨固方式進(jìn)行支護(hù),注漿錨桿間排距800 mm×800 mm,鉆孔為?32 mm,每孔1卷Z2360樹脂錨固劑。

(2)噴漿料水泥、黃砂、石子按1∶2∶2的重量配比,水灰比0.45。凝劑用量為水泥重量的5%,水泥采用32.5＃礦碴水泥,噴厚100 mm。

(3)深、淺注漿孔間排距均為1300 mm× 3200 mm,豎直方向布置3個(gè)注漿孔,深、淺孔交錯(cuò)布置,均采用2－1三花形布置,淺孔孔深1.5 m,深孔孔深2.5 m,深、淺孔孔徑均為42 mm;淺孔注漿管規(guī)格為?26.9 mm×?12.8 mm× 1000 mm(外徑×內(nèi)徑×長度),注漿壓力1～2 MPa,注漿穩(wěn)壓時(shí)間3～5 min;深孔注漿管規(guī)格?26.9 mm×?12.8 mm×2000 mm,注漿壓力2～3 MPa,注漿穩(wěn)壓時(shí)間3～5 min;深、淺孔的注漿液為單液水泥漿,水灰比為1∶1,水泥采用32.5＃礦碴水泥。

6 工程實(shí)踐檢測

為了檢驗(yàn)2333回風(fēng)巷錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)及煤柱側(cè)幫深淺孔注漿加固的支護(hù)效果,對2333回風(fēng)巷掘進(jìn)階段巷道頂?shù)装寮皟蓭蛯?shí)施了監(jiān)測,并獲得了巷道頂?shù)装寮皟蓭偷囊平俊１O(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 頂?shù)装迮c兩幫移近速率

圖4顯示,采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)及煤柱側(cè)幫深淺孔分級注漿方法對巷道圍巖加固后1～3 d巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平俾瘦^大,巷道頂?shù)装逡平俾蔬_(dá)到了59 mm/d,巷道兩幫移近速率達(dá)到了80 mm/d,7 d后巷道頂?shù)装寮皟蓭偷囊平俾蕝^(qū)于平緩。巷道沒有出現(xiàn)明顯的變形和破壞,礦壓顯現(xiàn)較緩和。說明錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)及煤柱側(cè)幫深淺孔分級注漿加固技術(shù)的實(shí)施有效控制了2333回風(fēng)巷的變形。

7 結(jié)論

(1)針對復(fù)雜條件大斷面沿空掘巷巷道支護(hù)難題進(jìn)行了錨索網(wǎng)組合支護(hù)設(shè)計(jì)。

(2)采用UEDC二維數(shù)值模擬軟件對2333回風(fēng)巷的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,選用的支護(hù)參數(shù)合理,可滿足巷道支護(hù)需求,支護(hù)效果良好。

(3)針對2333回風(fēng)巷巷道煤柱側(cè)幫變形大、應(yīng)力集中的特點(diǎn),采用錨網(wǎng)索加固技術(shù)有效控制了2333回風(fēng)巷的變形,保證了2333回風(fēng)巷的安全使用。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

Research on control technology for surrounding rocks of gob-side entry driving in complex conditions

Yu Hongqing1,Zhu Chunwei1,Wan Zhihong1,Chen Lei2
(1.Zhongmacun Coal Mine,Henan Jiaozuo Coal Energy Co.,Ltd.,Jiaozuo,Henan 454171,China; 2.Key Laboratory of Safe and Effective Coal Mining,Ministry of Education,Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232001,China)

Aimed at the technical problems of roadway surrounding rock control existing in gob-side entry driving engineering with complex conditions in No.2333 working face of Zhongmacun Mine,the anchor net supporting scheme was designed,which was simulated and verified by using numerical simulation software UDEC 2D.The results indicated that the supporting scheme could decrease the deformation of roadway,but the lateral wall of roadway coal pillar deformed seriously,so deep-shallow hole grouting and gunite techniques were carried out to strengthen the lateral wall of roadway coal pillar.The engineering practices showed that the combined application of anchor net supporting and grouting and gunite techniques controlled the roadway deformation effectively.

close distance coal seams,gob-side entry driving,anchor net supporting,surrounding rock control,numerical simulation

TD323

A

俞宏慶(1965－),男,河南博愛人,1990年7月畢業(yè)于焦作礦業(yè)學(xué)院礦井建設(shè)專業(yè),高級工程師,現(xiàn)任中馬村礦礦長。