黃陵一號煤礦工作面進風順槽破碎段圍巖控制技術

索王博

(陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦，陜西 延安 727307)

0 引言

破碎段圍巖控制長期以來一直是影響煤礦安全生產的重要問題之一[1-5]，如何有效優化破碎段巷道的合理支護參數能夠為礦井安全生產及合理提高經濟效益帶來重要意義[6-8]，對此，以黃陵一號煤礦622工作面進風順槽為主要研究背景，通過理論分析、數值模擬、現場監測等方法，對622進風順槽巷道支護參數進行優化設計，有效解決了礦區破碎巷道支護問題。

1 工程概況

陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦位于陜西省延安市黃陵縣境內，其工業場地位于黃陵縣店頭鎮，距店頭鎮建成區約1.5 km，距黃陵縣城約24 km。礦區形狀不規則，東西寬約10～19 km、南北長約5～21 km，井田面積為184.174 4 km2。

礦井622工作面對應上部位于圪嶗寺西北部。地面標高+1 117～+1 367 m，工作面位于六盤區，六盤區位于黃陵一號煤礦北二大巷兩翼，南與西一大巷相接，北鄰十一、十四盤區，東接五盤區、十盤區，向西為井田邊界。622工作面西接北二輔助運輸巷，南為621工作面采空區，北為625進風順槽，向東為五盤區。

本礦目前開采2號煤層，煤層平均厚度2.45 m。工作面煤層上方為直接頂粉砂巖，厚6.1 m；直接頂上方為老頂細粒砂巖，厚10 m。工作面煤層下方為砂質泥巖，厚2.5 m。622工作面進風順槽正在掘進，掘寬4.6 m，掘高2.8 m。

2 進風順槽支護分析

根據礦井地質資料和與井下工作人員溝通了解到，陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦622進風順槽400～930 m段圍巖破碎掘進時支護不利條件有：①622工作面進風順槽400～930 m處由于巷道錨桿支護參數設計不合理，導致錨桿(索)可施加的預緊力較小，無法滿足支護強度需求，導致進風順槽局部頂板破碎現象嚴重，金屬網“網包”現象明顯[3]。②622工作面頂板局部存在含水層，最大涌水量高達0.240 24 m3/h。由于富水區域隔水砂土層較薄，工作面回采導致的頂板淋水現象時有發生，進一步弱化了622工作面進風順槽頂板圍巖強度。③由于工作面回采產生的側向支承壓力較大，加之進風順槽支護強度不足，工作面順槽應力集中明顯，順槽圍巖破壞現象嚴重[4]。

3 圍巖控制方案

622工作面進風順槽為直墻圓弧拱形巷道，掘進寬4.6 m，掘高2.8 m。其中進風順槽400～900 m段圍巖破碎，由于原支護方案和參數不合理，400～900 m段圍巖頂板存在富水區，導致巖性抗壓強度下降，又受相鄰工作面采動影響頂底板移近量最大可達980 mm，兩幫移近量最大可達890 mm，需對原支護方案和參數進行優化來控制巷道圍巖變形量。針對622工作面進風順槽富水頂板圍巖破碎現象嚴重問題，設計622工作面進風順槽補強支護方案，見表1。

表1 622工作面進風順槽破碎段補強支護方案Table 1 Reinforced support scheme for the fracture section of 622 working face’s intake roadway

頂板錨索設計參數為中間2根間距1 000 mm，靠近兩幫2根間距1 400 mm，排距1 200 mm，采用T140型鋼帶配備錨索梁，錨索采用φ17.8 mm×10 300 mm鋼絞線，預緊力不小于350 kN。622工作面進風順槽破碎段錨桿、錨索布置如圖1所示。

圖1 622工作面進風順槽破碎段錨桿、錨索布置Fig.1 Arrangement of bolts and anchor cables in the fracture section of 622 working face’s intake roadway

4 數值模擬分析

4.1 模型建立

模擬采用FLAC3D數值模擬軟件，對模型施加摩爾庫倫本構關系，計算模型尺寸為55 m×4 m×44 m，由于本研究主要針對掘進期間巷道變形特征情況，一般的巷道塑性變形破壞的主要影響范圍為3～5倍的巷道尺寸，黃陵一號煤礦622進風順槽為4.8 m×3.6 m，故在巷道的主要影響范圍內對模型網格細化，次要影響范圍逐漸擴大網格。最終建立模型132 640個單元，150 039個節點，數值模擬模型圖如圖2所示。

圖2 數值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model

4.2 模型邊界條件及模擬方案

對模型前后左右4個方向限制位移，對模型下底面固支，同時在模型上頂面施加均布載荷以模擬未建模的基巖層對模型產生的重力影響，同時對模型施加自重應力場，對模型開挖巷道后的應力重新分布進行分析。

由于本模型僅分析掘進時期巷道的主要變化，故在初始地應力場平衡后直接對巷道部分進行開挖，平衡后對巷道的垂直應力及塑性破壞范圍進行分析。

4.3 模擬結果分析

圖3為622進風順槽掘進時期應力云圖。由圖3可知，巷道圍巖應力整體呈“駝峰”狀，在巷道兩幫角處出現最大應力集中區，應力峰值約為21 MPa。分析認為，在掘進過程中，巷道兩幫幫角處首先出現應力集中現象，隨著應力超過屈服極限，巷道圍巖發生破碎；巷道底角進一步出現應力集中，但集中程度較小，底板圍巖相對完整。

圖3 622進風順槽垂直應力云圖Fig.3 Vertical stress cloud diagram of 622 intake roadway

圖4為巷道掘進時期塑性區分布云圖。由圖4可知，掘進期間，巷道頂底板圍巖基本未發生塑性破壞，主要的破碎區域出現在巷道兩幫部，整體來說，上下兩幫破碎程度較為類似，與垂直應力分析結果較為一致。

圖4 622進風順槽塑性區分布云圖Fig.4 Cloud map of plastic zone distribution in 622 intake roadway

圖5為622工作面進風順槽在掘進過程中底板巖層最大主應力分布曲線。由圖5掘進影響階段圍巖最大主應力變化曲線可以看出，622進風順槽自煤柱幫向回采幫方向應力集中趨勢基本表現為先上升后下降，再上升再下降的趨勢，整體來說，巷道的最大主應力最小值為3.43 MPa，此時，由于應力已經釋放，可以認為巷道底板圍巖發生破壞，隨著底板深度不斷增大，最大主應力數值不斷上升，表明圍巖逐漸積聚應力，圍巖完整，狀態良好。

圖5 622進風順槽最大主應力曲線Fig.5 Maximum principal stress curve of 622 intake roadway

由圖6掘進影響階段圍巖最小主應力變化曲線可以看出，底板巖層最小主應力變化曲線同樣呈現出“拋物線”式變化趨勢。隨著底板深度的不斷增大，底板圍巖應力不斷增大。由此可見，底板淺部圍巖發生破壞，深部圍巖相對完整，與應力結果顯示一致。

圖6 622進風順槽最小主應力曲線Fig.6 Minimum principal stress curve of 622 intake roadway

由巷道底板最大主應力和最小主應力變化曲線可以看出，進風順槽在掘進過程中巷道周圍圍巖應力普遍不大，受掘進應力的影響也比較小，底板0～1 m范圍內有小范圍的變形破壞，采用普通的錨桿支護方式便可以控制巷道周圍圍巖應力。

5 支護效果分析

5.1 測點的布置

為了檢驗設計黃陵礦業有限公司一號煤礦622工作面進風順槽400～900 m圍巖破碎段控制效果，監測622工作面進風順槽錨桿錨索支護巷道圍巖變形量，采用十字布點法[9-14]，對622工作面進風順槽的巷道圍巖變形情況進行現場實測，監測周期共計45 d，每2天監測一次。

5.2 觀測結果

圖7為622進風順槽破碎段圍巖位移曲線圖。從圖7可以看出進風順槽頂板、底板、兩幫圍巖變形量在1～20 d內增加明顯，在20 d后圍巖變形量開始趨于穩定，其中頂板下沉量最大，穩定在125 mm。左幫移近量穩定在105 mm，右幫移近量穩定在110 mm，底鼓量穩定在88 mm。

圖7 622進風順槽破碎段圍巖位移曲線Fig.7 Displacement curve of surrounding rock in the fracture section of 622 intake roadway

6 結論

(1)針對黃陵礦業有限公司一號煤礦622工作面進風順槽具體的工程地質概況，分析總結了622工作面進風順槽400～900 m處圍巖破碎段巷道變形影響原因，提出采用補強支護的方法，對圍巖破碎段進行補強支護。

(2)通過對622進風順槽掘進期間的數值模擬結果進行分析發現，622工作面進風順槽在掘進期間幫部破壞較為嚴重，破壞順序是由巷道頂幫角先發生破壞，進而巷道底板幫角發生破壞，整體而言，巷道的頂底板破壞現象較小，應力集中區域主要集中在巷道幫角位置，通過補強支護的方法對622進風順槽破碎段圍巖進行支護可以在一定程度解決巷道圍巖破碎問題。

(3)通過對原支護方案和參數進行優化，并在622工作面進風順槽破碎段內布置2個測點，觀測數據表明，與未采取補強支護前相比，采取補強支護措施后，巷道頂板下沉量基本維持在213 mm左右，兩幫移進量基本保持為215 mm左右，保證了巷道圍巖完整性。