王坡煤業(yè)大斷面巷道支護(hù)方式優(yōu)化

劉偉偉

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 澤州 048021）

1 工程概況

王坡煤業(yè)有限公司位于山西省晉城市澤州縣境內(nèi)，井田面積29.23 km2，可開采煤炭儲量2.2億噸，其井下3213 工作面主采3 號煤層，平均埋深為520 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)理裂隙發(fā)育，平均厚度達(dá)5.7 m，煤層傾角為2°～9°，回采巷道為矩形巷道，巷道斷面尺寸為：寬×高=6 000 mm×4 500 mm。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 煤體力學(xué)性質(zhì)及巷幫破壞特征

2.1 煤體力學(xué)性質(zhì)

為了解王坡煤業(yè)3 號煤層的力學(xué)性質(zhì)，在3213 回風(fēng)巷巷幫現(xiàn)場取樣，對其進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測試。

（1）單軸抗壓強度

對現(xiàn)場采取的1#、2#、3#煤樣進(jìn)行單軸抗壓試驗，應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖1。

圖1 煤樣單軸抗壓應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖1 中3213 回風(fēng)巷巷幫所采集煤樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線符合一般巖石的變形特征，基本經(jīng)歷了孔隙裂隙壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段及破壞階段［1-4］。在實驗過程中，隨著荷載的不斷增大，當(dāng)煤樣表面發(fā)生剝落時會導(dǎo)致巷道圍巖支撐能力下降，煤樣在破壞前其應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)一定的波動。在加載實驗過程中，煤樣在破壞時有碎片被擠壓彈出同時還發(fā)出較大聲響的輕微巖爆現(xiàn)象，這表明煤樣較脆。

（2）抗剪強度

本次抗剪實驗共選取35°、45°、55°、65°四個角度，其每個角度均選取三個煤樣進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果見表2。

表2 煤樣剪切實驗結(jié)果

通過上述實驗結(jié)果可擬合得到煤樣的摩爾包線見圖2。

圖2 煤樣的摩爾包線

通過計算可知，煤樣的內(nèi)聚力c=1.57 MPa，內(nèi)摩擦角Φ=18.25°。

2.2 巷幫圍巖破壞特征

通過對現(xiàn)場厚煤層回采巷道進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)巷幫的破壞形式可大致分為三種：肩角破壞、中部擠出變形及片幫，其中又以巷幫中部擠出變形及片幫為主，見圖3。

圖3 巷幫主要破壞形式

因回采巷道在掘進(jìn)期間受到的擾動相對較小，其巷道變形破壞主要發(fā)生在工作面回采期間。通過現(xiàn)場調(diào)研并結(jié)合煤樣的物理力學(xué)實驗可初步分析巷幫破壞原因有：（1） 巷道斷面尺寸較大，且為矩形斷面，在巷道肩角位置容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而引起巷幫肩角位置破壞；（2） 由于煤性較脆，且節(jié)理裂隙發(fā)育，工作面回采過程中易造成片幫；（3）支護(hù)方式選擇不合理、支護(hù)參數(shù)有待優(yōu)化。

3 回采巷道支護(hù)體系優(yōu)化

3.1 巷道原有支護(hù)方式及支護(hù)效果

3213 回風(fēng)巷原有支護(hù)方式見圖4。

圖4 原有支護(hù)方式

圖4 中3213 回風(fēng)巷采用錨桿+ 金屬網(wǎng)的支護(hù)形式，其中頂錨桿為Φ18 mm×2 300 mm 的螺紋鋼錨桿，每排5 根，間排距為1 300 mm×1 200 mm，并鋪設(shè)Φ6 mm×2 400 mm×1 100 mm 的鋼筋網(wǎng)。幫錨桿為Φ18 mm×1 800 mm 的玻璃鋼錨桿，每排4 根（每幫2 根），間排距為1 500 mm×1 200 mm。為了解原始支護(hù)方案的支護(hù)效果，在3213 回風(fēng)巷距離開切眼30 m、40 m、60 m 位置布置應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測站，每個監(jiān)測站對巷道兩幫變形量及錨桿受力進(jìn)行監(jiān)測，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖5（a）中隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)距離工作面50 m 范圍內(nèi)時，巷道兩幫變形量逐漸增大，在距離工作面30 m 以內(nèi)時，巷幫變形量急劇增大，最終巷道煤柱幫變形量最大值為250 mm，回采幫變形量最大值為430 mm。依據(jù)巷幫現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，超前支承壓力影響范圍為工作面前方50 m，劇烈影響范圍為工作面前方30 m，回采幫變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤柱幫變形量。圖5（b）中隨著工作面的推進(jìn)，頂錨桿工作阻力逐漸增大，但變化量較小，監(jiān)測曲線整體變化不大。幫錨桿在距離工作面50 m 時，工作阻力減小，而后在距離工作面40 m 時，幫錨桿工作阻力又呈上升趨勢，在距離工作面30 m 時工作阻力減小，之后在距離工作面25 m 后工作阻力在此增大。頂錨桿工作阻力最大值為35 kN，幫錨桿工作阻力最大值為48 kN，比頂錨桿大約37.1%，而且?guī)湾^桿工作阻力監(jiān)測曲線整體波動較大，究其原因，是因為巷幫受超前支承壓力及回采擾動的影響，導(dǎo)致巷幫破碎，出現(xiàn)片幫、炸幫顯現(xiàn)，引起幫錨桿工作阻力變小。

總體來看，現(xiàn)有支護(hù)體系對巷幫支護(hù)效果較差，應(yīng)對其進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 支護(hù)體系優(yōu)化

根據(jù)王坡煤業(yè)的現(xiàn)場實際條件，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，以原有支護(hù)方案為基礎(chǔ)，對巷幫支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。幫錨桿長度分別設(shè)計為1.8 m、2.4 m、3.0 m；數(shù)量分別為2 根、3 根、4 根；肩角錨桿與水平方向夾角分別為10°、15°、20°。FLAC3D模擬結(jié)果見表3。

表3 試驗方案模擬結(jié)果

表3 中由方案8～方案10 可知，在錨桿長度和數(shù)量相同的情況下，肩錨桿與水平方向的夾角對巷道變形的影響幾乎可以忽略。通過對比各個方案可知方案9 是最佳方案，即幫錨桿長度為3.0 m，肩錨桿與水平方向的夾角為15°，錨桿數(shù)量為4根，見圖6。

圖6 巷道支護(hù)方式

方案9 與原支護(hù)方案巷道圍巖塑性區(qū)范圍見圖7。

圖7 塑性區(qū)對比

圖7 中原支護(hù)條件下巷幫塑性區(qū)約為3.4 m，而方案9 條件下巷幫塑性區(qū)約為2.5 m，與原支護(hù)方案相比塑性區(qū)減小約26.5%，而且錨桿長度3.0 m，已經(jīng)超出塑性區(qū)范圍，幫錨桿可以錨固在穩(wěn)定巖層中，因此可以起到加固巷幫的作用。

3.3 工業(yè)性試驗

將方案9 在3213 回風(fēng)巷進(jìn)行工業(yè)性試驗，其中頂錨桿與原支護(hù)方案一致，為Φ18 mm×2 300 mm的螺紋鋼錨桿，每排5 根，間排距為1 300 mm×1 200 mm，并鋪設(shè)Φ6 mm×2 400 mm×1 100 mm的鋼筋網(wǎng)。幫錨桿為Φ18 mm×3000 mm 的玻璃鋼錨桿，每排8 根（每幫4 根），間排距為1 000 mm×1 200 mm。現(xiàn)場巷幫變形量及錨桿工作阻力監(jiān)測曲線見圖8。

圖8 巷幫變形量及錨桿工作阻力監(jiān)測曲線

圖8（a）中在方案9 支護(hù)條件下，回采幫變形量最大值為162 mm，煤柱幫變形量最大值為135 mm，回采幫變形量略大于煤柱幫變形量，巷幫變形量大小與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，與原支護(hù)方案相比，回采幫變形量最大值降低62.3%，煤柱幫變形量最大值降低46.0%。圖8（b）中工作面回采過程中幫錨桿工作阻力與頂錨桿工作阻力變化趨勢基本一致，一直呈現(xiàn)增大的趨勢，與原支護(hù)條件下工作阻力出現(xiàn)增大、減小再增大的變化趨勢截然不同，表明巷幫圍巖并未出現(xiàn)片幫、炸幫現(xiàn)象，巷幫變形量較小、支護(hù)效果良好。

4 結(jié)論

1）巷幫的破壞形式可大致分為三種：肩角破壞、中部擠出變形及片幫，導(dǎo)致巷幫變形破壞的主要原因是3 號煤層煤性較脆且矩形大斷面巷道角處容易應(yīng)力集中。

2）通過FLAC3D數(shù)值模擬分析得到較優(yōu)的支護(hù)方式為：幫錨桿長度為3.0 m、肩錨桿與水平方向的夾角為15°、每側(cè)幫錨桿數(shù)量為4 根。

3）經(jīng)現(xiàn)場工業(yè)性試驗并與原方案相比發(fā)現(xiàn)，方案9 支護(hù)條件下回采幫變形量最大值降低62.3%，煤柱幫變形量最大值降低46.0%，支護(hù)效果良好。