三軟煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

鄧應(yīng)明,艾德春,謝小平*,安　鑫,楊　啟（貴州六盤水師范學(xué)院礦業(yè)工程系,貴州　六盤水　553004）

三軟煤層回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

鄧應(yīng)明,艾德春,謝小平*,安鑫,楊啟
（貴州六盤水師范學(xué)院礦業(yè)工程系,貴州六盤水553004）

基于某典型礦區(qū)三軟煤層回采巷道合理支護(hù)的問題，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，研究了三軟煤層回采巷道變形破壞的機(jī)理，提出了采用錨網(wǎng)索+鋼筋托梁聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并數(shù)值模擬確定了聯(lián)合支護(hù)的技術(shù)參數(shù)。通過對(duì)該典型礦區(qū)進(jìn)行三軟煤層回采巷道合理支護(hù)技術(shù)的研究，可為其它具有相似地質(zhì)條件的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

三軟煤層；數(shù)值模擬；錨桿；巷道支護(hù)

0　引言

隨著我國(guó)煤礦開采技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于安全高效開采也提成了更高的要求，而對(duì)于三軟煤層的開采，常常出現(xiàn)巷道布置和維護(hù)困難的難題[1,2]。三軟煤層巷道圍巖變形不協(xié)調(diào)而容易失穩(wěn)和離層，導(dǎo)致巷道變形破壞明顯[3,4]。某礦區(qū)的主采煤層為5上煤層，屬典型的三軟煤層。改擴(kuò)建后的礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3.0M t/a。原有礦工鋼梯形棚支護(hù)形式難以適應(yīng)三軟煤層條件，巷道頂板破碎、底板鼓出、兩幫內(nèi)擠，巷道雖經(jīng)過多次加固和返修，變形依然嚴(yán)重，難以滿足礦井安全高效開采的要求。因此，進(jìn)行巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的研究具有顯著的意義。

1　工程概況

某典型礦區(qū)的主采煤層為5-1煤層，5-1101工作面是該煤礦的首采工作面，5-1103工作面是該煤礦的第二個(gè)工作面，護(hù)巷煤柱寬30m。采用傾向長(zhǎng)壁放頂煤技術(shù)開采，工作面長(zhǎng)150m，可推進(jìn)長(zhǎng)度900m，機(jī)采高2.4m，放煤高度2.6m。工作面巷道位置圖如圖1所示。

5-1煤層埋深200～300m，煤層厚度2.85～6.15m，平均4.75m.，傾角2°～13°，平均7°，單向抗壓強(qiáng)度2～10MPa，煤質(zhì)松軟，屬于軟煤層；直接頂為泥巖，易風(fēng)化破碎，厚度0.72～17.32m；基本頂為細(xì)粒石英砂巖，塊狀構(gòu)造，細(xì)粒結(jié)構(gòu)。底板為軟弱黑色泥巖，厚度1.15～4.60m，屬于為典型的三軟煤層條件。

2　巷道原支護(hù)方式及礦壓分析

5-1-103工作面綜回采巷道為梯形斷面，頂板凈寬3.2m，底板凈寬4.0m，原有支護(hù)支護(hù)采用11#礦工鋼梯形棚支護(hù)，棚距為1m，采用構(gòu)木進(jìn)行“八?八”盤幫。

受工作面采動(dòng)的影響，5-1-1011和5-11012回采巷道變形量大，棚式支護(hù)不能對(duì)后期回采巷道進(jìn)行圍巖位移的有效控制。5-1-1031回采巷道在不受采動(dòng)影響條件下，兩幫移近量及底鼓量也較大，棚式支護(hù)也不能對(duì)前期新開掘巷道進(jìn)行巷道變形控制，并且頂板軟弱風(fēng)化，易破碎，棚式支護(hù)無法有效控制頂板巖石的冒落。因此，棚式支護(hù)不滿足三軟煤層回采巷道支護(hù)的要求，設(shè)計(jì)方案變更為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。

3　三軟煤層巷道支護(hù)數(shù)值模擬分析

3.1模型建立

采用通用離散元軟件UDEC4.0[5]，結(jié)合該典型礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)地質(zhì)條件，該煤礦煤層巷道沿5-1號(hào)煤層沿底板掘進(jìn)，巷道斷面（寬×高）4.0m×3.0m。構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，施加上覆巖層的自重載荷上邊界載荷按采深200m計(jì)算，巷道圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫模型。模型總體尺寸為（寬×高）50×30m，構(gòu)建模型如圖2所示。

3.2模擬方案選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及理論計(jì)算設(shè)計(jì)錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案錨桿長(zhǎng)度模擬方案如下：方案一，頂錨長(zhǎng)度為2m；方案二，頂錨長(zhǎng)度為2.2m；方案三，頂錨長(zhǎng)度2.4m，詳細(xì)方案見表1。

表1　錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3錨桿長(zhǎng)度數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用三種不同方案支護(hù)，巷道圍巖變形曲線圖如圖3所示。

通過圖3可以得出：（1）當(dāng)錨桿間排距相同時(shí)，通過改變錨桿長(zhǎng)度，頂板模擬下沉量從323mm減少至72.3mm，底鼓量改善較小，兩幫移近量從277mm降至66.9mm，可見通過加強(qiáng)錨桿的強(qiáng)度和長(zhǎng)度，可有效改善兩幫移近量；（2）當(dāng)錨桿間排距相同時(shí)，通過改變錨桿長(zhǎng)度，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度由2.0m加長(zhǎng)到2.2m時(shí)，頂板下沉量減少了100mm，兩幫移近量減少了67mm；由2.2m加長(zhǎng)到2.40m頂板下沉量減少了123mm，兩幫移近量減少了115.3mm；錨桿長(zhǎng)度由2.4m加長(zhǎng)到2.6m時(shí)，頂板下沉量減少了27.7mm，兩幫移近量減少了27.8mm。可以看出，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增加到一定長(zhǎng)度時(shí)，再增加錨桿長(zhǎng)度，對(duì)巷道圍巖控制的效果不明顯。

巷道周邊塑性區(qū)分布模擬結(jié)果如圖4所示。

通過圖4可以看出：

（1）巷道周圍塑性區(qū)主要分布在兩幫煤壁中，影響半徑小于5m，頂板塑性區(qū)主要分布在巷道兩測(cè)肩角上方，底板塑性區(qū)分布于巷道底角下方。頂板和底板塑性區(qū)影響范圍較大；

（2）彈性區(qū)主要分布在兩幫煤壁中，影響半徑很廣。頂板和底板中彈性區(qū)主要集中在巷道中部，類似扇形分布，且底板中彈性區(qū)較頂板彈性區(qū)分布廣；

（3）觀察方案一至方案三塑性區(qū)分布可知：隨著錨桿長(zhǎng)度增加，支護(hù)強(qiáng)度增加，巷道周圍塑性區(qū)分布范圍逐漸減小。在方案三中，塑性區(qū)已變得很小，說明巷道得到了有效支護(hù)。

通過以上分析得出：該典型礦區(qū)三軟煤層回采巷道頂錨桿采用Φ22×2.40m左旋螺紋鋼錨桿，間排距800×800mm，并架設(shè)鋼筋梯，頂網(wǎng)為金屬網(wǎng)。幫錨桿采用Φ18×1.80m圓鋼錨桿，間排距800×800mm，幫網(wǎng)也采用金屬網(wǎng)，錨索長(zhǎng)度為8.90m，間排距為1600×2400mm，錨索安裝角20°。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)斷面如圖5所示。

4　結(jié)論

依據(jù)科學(xué)采礦思路，研究我國(guó)典型礦區(qū)三軟煤層開采中存在問題，基于三軟煤層回采巷道合理支護(hù)技術(shù)的狀況，發(fā)展錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)是解決受動(dòng)壓影響下三軟煤層回采巷道變形嚴(yán)重的一種有效途徑。通過對(duì)該典型礦區(qū)5-1-103工作面回采巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將大大改善三軟煤層回采巷道圍巖變形現(xiàn)狀，可為其它具有相似地質(zhì)條件的三軟煤層回采巷道合理支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

[1]韓玉鑒.大斷面三軟煤層煤巷掘進(jìn)防片幫與冒頂技術(shù)研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,201,38(04):391-397.

[2]張永進(jìn).孔莊礦%三軟&煤層巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理,2011(06):43-45.

[3]魯巖,方新秋,柏建彪.基于模擬優(yōu)化確定深井軟巖巷道錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用[J].煤炭工程,2007(04):25-28.

[4]趙義華,李新龍.平禹一礦三軟煤層巷道錨桿支護(hù)技術(shù)[J].中州煤炭,2010,(05):18-20.

[5]王金安,陳元麒等.巖土工程數(shù)值計(jì)算方法實(shí)用教程[M].福建:科學(xué)出版社,2010.

謝小平

鄧應(yīng)明（1992—），男，貴州石阡人，貴州六盤水師范學(xué)院采礦工程系采礦工程專業(yè)本科生，主要從事:煤礦方面的研究工作。