不穩(wěn)定松軟煤層托頂煤回采巷道圍巖控制研究

陳金宇 陳 剛 李衛(wèi)紅

(1.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013； 2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013； 3.河南能源化工集團(tuán)有限公司義煤公司生產(chǎn)技術(shù)處，河南省義馬市，472300； 4.河南能源化工集團(tuán)有限公司躍進(jìn)煤礦，河南省義馬市，472300)

新安煤礦14240工作面上巷二1煤層頂?shù)装迤鸱^大，煤層賦存不穩(wěn)定，若沿頂板掘進(jìn)，回采巷道對(duì)工作面回采工作將產(chǎn)生不利影響：一是降低煤炭資源的回收；二是工作面支架要經(jīng)歷穿過(guò)底板的過(guò)程；三是頂板三角煤難以留設(shè)，這將增加工作面回采工作量及回采難度。因此，隨著錨桿支護(hù)技術(shù)水平的提高，提出采用回采巷道沿底板布置來(lái)解決上述問(wèn)題。新安煤礦二1煤層強(qiáng)度較低，煤體松軟，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可知煤層抗壓強(qiáng)度為7.64 MPa，且節(jié)理層理較為發(fā)育，頂煤不易控制，同時(shí)由于底板起伏，煤層厚度不穩(wěn)定，所留頂煤厚度一直變化，增加了頂煤的控制難度，屬于松軟不穩(wěn)定煤層條件下托頂煤巷道支護(hù)。本文通過(guò)數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法來(lái)確定支護(hù)方式，確保巷道的安全使用及后期工作面的安全回采，為類似巷道條件提供參考。

1 工程地質(zhì)條件

14240上巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度662.4 m，服務(wù)年限3年，位于14采區(qū)下山西翼下部，上鄰14220工作面(已回采)，留設(shè)3.0 m寬煤柱，下鄰14260工作面(未圈定)；東鄰14采區(qū)下山保護(hù)煤柱；西鄰14與16采區(qū)保護(hù)煤柱。工作面地面標(biāo)高平均+533 m，工作面標(biāo)高平均-33.5 m，平均埋深586 m。

根據(jù)上鄰14220工作面實(shí)際揭露情況和勘探孔資料分析，預(yù)計(jì)該工作面煤層頂?shù)装迤鸱^大，煤層賦存不穩(wěn)定，煤厚0～9.5 m，平均3.79 m。二1煤層現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試平均強(qiáng)度為7.64 MPa，節(jié)理層理較為發(fā)育，屬于松軟煤層。二1煤頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

在14240上巷進(jìn)行錨桿錨固作業(yè)，錨桿材質(zhì)為左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，直徑20 mm、鋼號(hào)335號(hào)，長(zhǎng)度2.4 m，每根錨桿采用2支Z2350型樹(shù)脂錨固劑錨固；測(cè)試錨索為6300-17.8 mm低松弛鋼絞線錨索，錨索采用3支Z2350型樹(shù)脂錨固劑錨固?，F(xiàn)場(chǎng)拉拔測(cè)試結(jié)果表明錨索的錨固力均在300 kN以上；錨桿的錨固力在均達(dá)到110 kN以上，能夠滿足錨網(wǎng)支護(hù)錨固力的要求。

2 數(shù)值模型分析

根據(jù)新安礦14240上巷的生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立有限元數(shù)值模型，模型尺寸為65 m×44 m×6 m(長(zhǎng)×高×寬)，模型中煤層、直接頂、直接底進(jìn)行細(xì)化處理。邊界條件：模型頂面施加壓力使其等同于上覆巖層的重量，底面是固定鉸支座，垂直方向約束，x=0 m、x=6 m、y=0 m和y=6 m面施加水平方向位移約束。巖層、煤層均采用摩爾—庫(kù)侖模型，數(shù)值模擬中各巖層﹑煤層的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

2.1 頂煤厚度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

分別模擬頂煤厚度為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m，巷道開(kāi)挖矩形尺寸為4.7 m×3.2 m(寬×高)。設(shè)立模擬位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)得出巷道圍巖位移量與頂煤厚度關(guān)系如圖1所示，圍巖塑性區(qū)分布受頂煤厚度影響如圖2所示。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)表

圖1 頂煤厚度對(duì)圍巖變形的影響

由圖1和圖2可知，頂煤厚度的增大對(duì)頂板下沉量影響比較顯著，在頂煤厚度小于3 m時(shí)，隨著頂煤厚度的增大頂板下沉量呈線性增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速度較快，頂板下沉量從43 mm增加到69 mm，增加26 mm；在頂煤厚度大于3 m時(shí)，隨著頂煤厚度的增大頂板下沉量也呈線性增長(zhǎng)，但此時(shí)增長(zhǎng)速度較慢。頂煤厚度從3 m增長(zhǎng)到6 m，頂板下沉量從69 mm增加到82 mm，僅增加13 mm。底鼓量和兩幫移近量受頂煤厚度變化影響較小，頂煤厚度從1 m增加到6 m，底鼓量和兩幫移近量從32 mm、39 mm增加到39 mm、52 mm，分別增加22%和33%。

圖2 不同頂煤厚度圍巖塑性區(qū)分布

由圖2可知，圍巖塑性區(qū)隨頂煤厚度增加而不斷擴(kuò)展，巷道兩幫和底板塑性區(qū)范圍以及塑性分布受頂煤厚度的變化影響較小，頂煤厚度從1 m增加到6 m，兩幫和底板塑性區(qū)寬度從2.5 m、3 m增加到3 m、3.5 m，分別增加20%和17%，而頂煤厚度的加大對(duì)頂板影響較大，頂煤厚度從1 m增加到6 m，頂板塑性區(qū)深度從3.2 m增加到5.2 m，增加62.5%。頂板的拉破壞面積也隨著頂煤厚度的變化而變化，兩幫和底板中部表現(xiàn)為拉破壞，幫角位置為剪破壞，且隨著頂煤厚度的增加，兩幫和底板塑性分布規(guī)律基本不變。

2.2 托頂煤支護(hù)參數(shù)分析

根據(jù)14240上巷的斷面尺寸，初步設(shè)計(jì)錨桿幫頂錨桿長(zhǎng)度為2400 mm，兩幫間排距900 mm，頂板間距850 mm，排距900 mm。由于頂煤厚度不穩(wěn)定，且煤層結(jié)構(gòu)松軟，強(qiáng)度較低，因此在14240上巷中采用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。錨索采用直徑為17.8 mm的鋼絞線，根據(jù)鉆孔柱狀圖及頂煤厚度，絞線長(zhǎng)度確定為6300 mm。

現(xiàn)有3種布置方案，方案1：兩幫錨桿間排距900 mm；頂板錨桿排距相同，間距850 mm，每2排錨桿打3根錨索，即“303布置”。方案2：兩幫錨桿間排距900 mm；頂板錨桿排距相同，間距850 mm，每1排錨桿打2根錨索，即“222布置”。方案3：兩幫錨桿間排距900 mm；頂板錨桿排距相同，間距850 mm，每2排錨桿打5根錨索，即“323布置”。

不同方案下14240上巷掘進(jìn)期間巷道圍巖塑性區(qū)分布情況如圖3所示。不同方案下14240上巷變形量見(jiàn)表3。

圖3 不同方案下14240上巷圍巖變形情況

方案名稱頂板下沉量/mm底鼓量/mm左幫移近量/mm右?guī)鸵平?mm方案1191145252252方案2189144251252方案3176143251251

由圖3和表3可知，方案1和方案2中14240上巷的變形相差不大，方案3比方案1的頂板下沉量少15 mm，且3種方案中塑性區(qū)的分布都沒(méi)有出現(xiàn)明顯的拉伸破壞。由于新安煤礦回采巷道初次采用托頂煤支護(hù)掘進(jìn)，同時(shí)由于頂煤不穩(wěn)定，初期施工要求安全系數(shù)較高，待實(shí)施100 m左右后，根據(jù)圍巖變形情況進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，最終確定每2排錨桿之間打5根錨索，即“323布置”(間距1700 mm，排距900 mm)。

3 14240上巷錨桿支護(hù)方案確定

3.1 頂板支護(hù)

錨桿采用鋼號(hào)為335號(hào)、直徑20 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.4 m，間距900 mm，排距850 mm，每排布置6根錨桿，錨桿預(yù)緊扭矩≥300 N·m，禁止超過(guò)500 N·m；采用一支K2350和一支M2350樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度1300 mm；采用與錨桿強(qiáng)度相匹配的高強(qiáng)螺母，配合高強(qiáng)托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈；托板采用拱型高強(qiáng)度托板，高度不低于36 mm，托板尺寸不小于150 mm×150 mm×10 mm，承載能力不低于164 kN；采用W型鋼護(hù)板護(hù)表，寬280 mm，長(zhǎng)450 mm，厚度不低于5 mm，勒高不低于25 mm；網(wǎng)片采用4 mm×1000 mm×1800 mm冷拔絲軋花網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，網(wǎng)片搭接寬度不少于2格，鉛絲必須旋擰不得少于3圈，鉛絲頭指向煤(巖)體表面。保證能與兩幫金屬網(wǎng)連接好，不得漏頂。

錨索采用直徑為17.8 mm、1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度6300 mm(當(dāng)托頂煤厚度超過(guò)4000 mm時(shí)，錨索長(zhǎng)度變更為8300 mm)，采用一支MSK2350和兩支MSZ2350樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度1750 mm，每?jī)膳佩^桿打設(shè)5根錨索，采用“323布置”，間距1700 mm，排距為900 mm，全部垂直頂板布置；托板采用300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具，高度不低于56 mm，強(qiáng)度不低于350 kN，錨索初始預(yù)緊力≥200 kN。

3.2 巷幫支護(hù)

兩幫采用的錨桿支護(hù)材料及其構(gòu)件和頂板相同，間排距900 mm，每幫每排布置4根錨桿；錨桿預(yù)緊扭矩≥300 N·m，禁止超過(guò)500 N·m；錨桿錨固力為不低于106 kN。

4 礦壓監(jiān)測(cè)及分析

巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線如圖4所示。由圖4可以看出，巷道開(kāi)挖后，表面位移監(jiān)測(cè)曲線快速上升，持續(xù)時(shí)間10 d左右，頂?shù)装迤骄平俣葹?.7 mm/d，兩幫平均移近速度為4.9 mm/d，這是由于巷道開(kāi)挖后，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)迅速由三向變?yōu)槎?，深部巖體中積聚的大量彈性能量突然釋放，承載能力下降，在上覆巖層壓力作用下，圍巖表面裂隙不斷擴(kuò)展，并且不斷向圍巖深部延伸，形成一定范圍的破碎區(qū)，巖體破碎后，體積膨脹，巷道表面位移快速增長(zhǎng)。隨著遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面，圍巖變形速度不斷減小，變形趨于穩(wěn)定，掘進(jìn)影響期大約為45 d，這是由于巷道開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生的物理、力學(xué)效應(yīng)具有非線性和不可逆性，會(huì)產(chǎn)生各種形式的能量耗散。另外，支護(hù)構(gòu)件系統(tǒng)能及時(shí)吸收部分能量。巷道達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，巷道位移速率在0.15 mm/d以下，兩幫總位移量83 mm，頂?shù)装逦灰屏繛?6 mm，圍巖控制效果較好。

圖4 表面位移監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬與理論分析不穩(wěn)定煤層托頂煤厚度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，在頂煤厚度小于3 m時(shí)，頂板下沉量隨著頂煤厚度的增大呈線性增加，增長(zhǎng)速率較快；在頂煤厚度大于3 m時(shí)，隨著頂煤厚度的增大頂板下沉量增長(zhǎng)速率較慢；頂煤厚度的增大對(duì)底鼓量和兩幫移近量影響較小。

(2)圍巖塑性區(qū)隨著頂煤厚度的加大而不斷擴(kuò)展，巷道兩幫和底板塑性區(qū)范圍以及塑性分布受頂煤厚度變化影響較小，而頂煤厚度的加大對(duì)頂板影響較大，頂板的拉破壞面積也隨之頂煤厚度的變化而變化，兩幫和底板中部表現(xiàn)為拉破壞，幫角位置為剪破壞，且隨著頂煤厚度的增加，兩幫和底板塑性分布規(guī)律基本不變。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬確定高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)錨桿錨索組合支護(hù)參數(shù)后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果顯著，為新安礦不穩(wěn)定松軟煤層回采巷道托頂煤支護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。