回采巷道超前應(yīng)力分布規(guī)律與支護(hù)技術(shù)研究

李 鈺

(山西蘭花集團(tuán) 莒山煤礦有限公司， 山西 晉城 048027)

回風(fēng)順槽是保證工作面回風(fēng)及輔助運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ?，為工作面生產(chǎn)提供了安全作業(yè)空間。為確定合理超前支護(hù)方案，以莒山礦f3101綜采工作面回風(fēng)順槽為工程背景，分析巷道超前應(yīng)力分布規(guī)律及超前支護(hù)參數(shù)，以得出合理的超前支護(hù)方案。

1 工作面概況

f3101工作面所采的3號煤層位于山西組下部，煤層厚5.5～8.15 m，平均厚6.18 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～2層矸石。該煤層穩(wěn)定可采，煤層頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖為主，局部發(fā)育薄層泥巖偽頂；底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖。工作面設(shè)計(jì)長度150 m，推進(jìn)長度1 200 m，采用綜放工藝回采，采2.2 m，放4.0 m，端頭不放煤。

f3101回風(fēng)順槽沿底板沿空掘進(jìn)，巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，巷道東側(cè)為區(qū)段煤柱，西側(cè)為f3203工作面，尺寸為4 000 mm×3 000 mm，考慮支護(hù)厚度，回風(fēng)順槽掘進(jìn)斷面設(shè)計(jì)尺寸為3 200 mm×3 100 mm. 巷道采用錨桿及錨索聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿采用高性能螺紋鋼錨桿，規(guī)格為d20 mm×2 000 mm，頂錨桿和幫錨桿間排距均為800 mm×800 mm；錨索d15.24 mm，長度為8 300 mm，采用2-0-1-0方式布置，間排距為1 600 mm×1 600 mm.

2 超前應(yīng)力分布規(guī)律研究

采用FLAC3D模擬軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，模擬不同推進(jìn)距離下工作面巷道超前應(yīng)力分布規(guī)律，模型長為300 m，寬為250 m，高為80 m，模型底部限制垂直位移，前后及左右限制水平位移，采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

不同推進(jìn)距離下工作面垂直應(yīng)力分布云圖見圖1，由圖1可知，工作面推進(jìn)100 m時，超前支撐壓力影響范圍約為50.5 m，其中高應(yīng)力影響范圍為工作面前方5～25 m，垂直應(yīng)力值為8.0 MPa～12.0 MPa，其中應(yīng)力最大值出現(xiàn)在工作面前方7.5 m處，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.60；當(dāng)工作面推進(jìn)至200 m時，超前應(yīng)力影響范圍為工作面前方57.5 m，其中高應(yīng)力區(qū)為工作面前方4～28 m，支撐應(yīng)力值為10～14 MPa，應(yīng)力峰值為14 MPa，在工作面前方約8 m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.87；當(dāng)工作面推進(jìn)300 m時，超前支撐應(yīng)力為工作面前方約60 m，其中高應(yīng)力區(qū)為工作面前方4～30 m，應(yīng)力值為10～15.4 MPa，應(yīng)力峰值在工作面前方約8.5 m，應(yīng)力值為45.4 m，應(yīng)力集中系數(shù)為2.05.

圖1 不同推進(jìn)距離下工作面覆巖垂直應(yīng)力云圖

進(jìn)一步分析可知，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，超前應(yīng)力影響范圍呈小幅度增大趨勢，高應(yīng)力區(qū)域范圍小幅度增大，應(yīng)力峰值也呈小幅度增大趨勢，應(yīng)力峰值在工作面前方7.5～8.5 m，為12～15.4 MPa. 根據(jù)數(shù)值模擬可知，為保證巷道圍巖有效控制，在工作面高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)應(yīng)進(jìn)行超前加強(qiáng)支護(hù)，綜合考慮可確定，超前支護(hù)范圍為工作面前方30 m.

3 超前支護(hù)方案研究

3.1 支護(hù)強(qiáng)度分析

f3101工作面回風(fēng)順槽頂板為泥巖及砂質(zhì)泥巖，巷道掘進(jìn)階段頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r體應(yīng)力會重新分布，巷道圍巖體力學(xué)性質(zhì)變差，強(qiáng)度降低，巷道成形后在一定范圍內(nèi)存在破碎巖層，根據(jù)彈性理論，巷道圍巖破碎區(qū)域高度按下式計(jì)算[1-3]：

h0=RP-h

(1)

式中：

Rp—巖石破碎帶半徑，m；

h—非圓巷道等效圓中心至頂板的高度，m，換算取1.90.

Rp按式(2)計(jì)算：

(2)

式中:

R0—非圓形巷道的等效面掘進(jìn)半徑，m，取2.56；

r—巖體巖重，kN/m3，取25；

z—巷道中心距地表深度，m，取最大值300；

φ—煤體內(nèi)摩擦角，(°)，取28；

C—煤體黏結(jié)強(qiáng)度，kN/m2，取960.

計(jì)算得：h0=1.47 m

巷道最大圍巖壓力可按下式計(jì)算：

q=K1·K2·h0·γ

(3)

式中：

K1—上工作面采動殘余影響系數(shù)，取1.8；

K2—本工作面二次采動影響系數(shù)，取2.0.

將各參數(shù)代入計(jì)算得q=132.42 kPa，即超前支護(hù)強(qiáng)度不低于0.132 MPa.

3.2 超前支護(hù)方案分析

根據(jù)上述分析，結(jié)合f3101回風(fēng)順槽實(shí)際支護(hù)情況，確定使用3×ZQL2×3500/15/30型窄型分體式超前支架組進(jìn)行超前支護(hù)，支架主要技術(shù)參數(shù)：分體式支架型式；支護(hù)范圍30 m；支護(hù)高度1.5～3.0 m；工作阻力21 000 kN，P=39.6 MPa；初撐力17 500 kN，P=30.0 MPa；支護(hù)強(qiáng)度0.14 MPa；支護(hù)寬度2.4～4.0 m；電液控制方式。

該支架組由3組6架組成，雙列分體式布置于巷道兩側(cè)，移架步距為800 mm，頂梁相鄰側(cè)裝有側(cè)翻梁。每組支架相鄰兩架之間，頂梁底座之間連接有防倒調(diào)偏油缸，對應(yīng)底座間連接有雙排推移油缸，互為支撐實(shí)現(xiàn)自移。支架采用窄型四連桿機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)有窄底座、窄連桿及掩護(hù)梁，適應(yīng)回風(fēng)順槽空間運(yùn)輸、安裝等要求，有效降低了風(fēng)阻面積，各支架單元采用鉸接式頂梁、前、后梁以及挑梁結(jié)構(gòu)，挑梁可旋轉(zhuǎn)大于90°，提高了對巷道頂板支護(hù)的適應(yīng)性。

4 應(yīng)用效果

3×ZQL2×3500/15/30型窄型分體式超前支架組已用于f3101回風(fēng)順槽，目前工作面已經(jīng)推進(jìn)600余米，在實(shí)際應(yīng)用過程中巷道頂板最大下沉量為92 mm，兩幫最大移近量為83 mm，整個使用期間無壓架現(xiàn)象。此外，在使用期間，支架在反復(fù)承載過程中巷道頂板巖體基本保持完整穩(wěn)定狀態(tài)，頂板錨桿及錨索未受破壞，表明3×ZQL2×3500/15/30型窄型分體式超前支架可有效維護(hù)回采巷道圍巖穩(wěn)定，保障工作面回風(fēng)順槽作業(yè)空間的安全。

5 結(jié) 論

結(jié)合莒山礦f3101工作面實(shí)際開采地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬分析了巷道超前應(yīng)力分布規(guī)律，確定了巷道超前支護(hù)范圍為工作面前方30 m，采用分體式超前支架組進(jìn)行超前支護(hù)，確定了巷道超前支護(hù)參數(shù)，并得出巷道超前支護(hù)方案。實(shí)踐表明，巷道超前支護(hù)效果良好，可以滿足工作面安全生產(chǎn)要求。