三交河礦破碎頂板下回采巷道超前支護優化研究

許建平

(霍州煤電集團有限責任公司 煤炭生產管理部,山西 霍州 031400)

在煤礦的地下開采中,巷道起到了運輸、通風、行人、管道鋪設等作用,如何保證巷道通暢和圍巖穩定,就成了保障礦井高效安全生產的關鍵因素[1-4]。煤層開采后會形成地下采空區,破壞了地下空間的完整性和平衡性,圍巖范圍內應力重分布[5]。隨著工作面的推進,上覆巖層結構處于破斷、扭轉下沉、失穩及動態平衡狀態。由于出現應力集中,此時圍巖內部應力相對于原有圍巖應力有所增大,即超前支承應力區[6-7]。在工作面超前范圍內,回采巷道受到超前支承壓力影響容易發生變形、失穩、破壞等事故,嚴重影響工作面的正常生產和工人的人身安全,因此必須對回采巷道超前支承壓力區內進行加強支護,即回采巷道的超前支護[8-9]。

目前,我國煤礦較為常見的超前支護形式通常是將單體式液壓支柱與鉸接頂板梁相結合,但在現場應用中存在頂板反復作用加劇頂板破碎和裂化,導致頂板破裂、冒頂,同時存在工人勞動強度大,作業空間小,回撤風險高等不足。姚強嶺等[10]提出長壁采煤主動式超前支護關鍵技術,并在新汶礦業集團、棗莊礦業集團、山西焦煤集團等多個礦區開展現場實踐,在不同埋深的各種厚度煤層都成功得到應用;李立華[11]提出注漿錨索式超前支護技術,該超前支護形式為高強度錨索配合注漿進行超前支護,并在新安煤礦成功進行應用;蓋增雪[12]在呂家坨礦業5383工作面通過中空錨索向圍巖中注入漿液,在提高圍巖可錨性的情況下充分發揮錨索主動支護作用,保障回采巷道超前段穩定;曹世利[13]在高莊煤業有限公司3上705材料巷采用錨索代替單體支柱進行超前支護,不僅能夠有效保障巷道回采期間穩定,同時改善了工人作業環境并減少了支護成本。

本文以三交河煤礦B2-516工作面正巷為工程背景,優化了超前支護方案,采用注漿錨索代替部分單體支柱,開展了煤巖力學參數測試、數值模擬和現場試驗,有效控制了破碎頂板下超前巷道圍壓變形,降低了工人勞動強度,增加了作業空間為類似工況下回采巷道超前支護提供了借鑒。

1 工程概況

1.1 工程地質概況

三交河煤礦B2-516工作面主要開采2#煤,煤層傾角3°～5°,布置如圖1所示。

B2-516正巷全長814 m,凈斷面形狀為矩形,高2.7 m,寬4.6 m。巷道上方為3.8 m厚的泥巖直接頂,頂板內節理較多,破碎程度大,完整性差。直接底為泥巖、2-2煤和砂質泥巖組成。B2-516正巷頂底板巖性見表1所示。

圖1 B2-516工作面布置圖Fig.1 Layout of B2-516 working face

表1 工作面正巷上覆巖層柱狀圖Table 1 Histogram of overlying strata in main roadway of working face

1.2 原支護方案

原超前段支護方案如圖2所示。B2-516正巷頂板支護采用錨網、錨桿、錨索、錨梁聯合支護方式,錨桿選用Φ18 mm×2 000 mm的高強錨桿,間排距1 000 mm×1 200 mm,肩角錨桿距幫300 mm;頂錨索選用Φ21.6 mm×6 200 mm的鋼絞線,“二二”布置,間排距2 000 mm×2 400 mm,兩側錨索距幫1 200 mm;幫部采用錨網梁支護,錨桿選用Φ18 mm×2 000 mm的高強錨桿,“三三”布置,間排距1 000 mm×1 200 mm,第一根幫錨桿距頂板300 mm。

B2-516正巷超前30 m范圍內采用DW32(28)-250/110型單體支柱配合HDC-4200型π梁“一梁兩柱”進行支護,排距0.9 m。

(a) 巷道支護切面圖

(b) 巷道超前段支護布置圖

1.3 煤巖物理力學參數測試

通過SC-200型自動取芯機、SCQ-1A型自動切石機、SCM-200型雙端面磨平機將煤巖塊加工成標準尺寸試樣。試樣尺寸分別為Φ50 mm×100 mm、Φ50 mm×50 mm、Φ50 mm×25 mm。利用YAD-2000萬能試驗機進行煤巖體的力學參數測試,如圖3所示。該試驗機可進行巖樣的抗壓、抗拉、抗剪試驗,從而獲得圍巖物理力學參數,為后續數值模擬提供數據,如表2所示。

圖3 單軸抗壓強度測試示意圖Fig.3 Uniaxial compressive strength test

表2 煤巖物理力學參數表Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock

2 數值模擬

基于室內試驗得出的煤巖數據,在原方案的基礎上采用注漿錨索代替部分單體支柱,設計3種不同排距注漿錨索的優化方案與原方案對比。

2.1 建立模型

采用有限差分數值計算軟件FLAC3D建立模型。模型尺寸為X×Y×Z=70 m×30 m×30 m,煤層傾角4°,為便于運算簡化為水平煤層。選用摩爾-庫倫本構模型,固定模型下邊界,限制模型四周水平位移,模型示意圖如圖4所示[14-15]。

圖4 數值模型Fig.4 Numerical model

2.2 模擬方案

基于現場圍巖地質情況,擬定3種不同排距的注漿錨索進行回采巷道超前支護區模擬的方案,根據現場條件,注漿錨索選用SKZ22-1/1 860 mm×7 200 mm、錨索長度7.2 m、錨索直徑22 mm、錨索托板300 mm×300 mm×12 mm,以及配套鎖具,其他參數保持不變。具體方案參數見表3。分別對比不同方案下,回采巷道各超前距離時巷道垂直位移、水平位移、垂直應力、水平應力[16-17]。

表3 注漿錨索代替單體支柱優化支護模擬方案Table 3 Optimized support simulation schemes by replacing mono-pillars by grouting anchors

2.3 模擬結果分析

1)垂直位移。各方案巷道垂直方向變形情況如圖所示。由圖5可知,原支護方案下,巷道頂板位移為49.26 mm,底板位移為9.84 mm。各方案頂板最大變形量分別為53.56 mm、61.65 mm、71.89 mm;底板最大變形量為10.08 mm、10.93 mm、12.01 mm。分析得,隨著錨桿索排距的增加,巷道頂底板的變形量也在增加。而且由于巷道基本底K8中砂巖,強度較高,頂板內部節理、斷層較多,頂板破碎,因此相較于底板來說,頂板位移變化較大。

圖5 垂直位移云圖Fig.5 Vertical displacement nephogram

2)水平位移。各方案巷道水平方向變形情況如圖所示。由圖6可知,原支護方案下巷道左幫最大變形量為28.94 mm,右幫最大變形量為31.28 mm。各方案左幫最大變形量分別為31.12 mm、35.40 mm、41.69 mm;右幫最大變形量分別為37.69 mm、44.47 mm、53.64 mm。分析可知,隨著注漿錨索排距的增加,巷道幫部變形量也在增加。由于巷道周圍地應力平衡不均勻,巷道幫部變形不對稱,右幫變形大于左幫。

3)垂直應力。各巷道周圍巖層中垂直應力分布情況如圖7所示。無支護情況下,垂直方向最大應力為9.08 MPa,各方案垂直方向最大應力分別為9.92 MPa、11.18 MPa、12.92 MPa。分析可得,相較于原支護情況,3種方案能大幅度降低頂板底板應力,隨著注漿錨索排距增大,垂直應力也有一定增大。

圖6 水平位移云圖Fig.6 Horizontal displacement nephogram

圖7 垂直應力云圖Fig.7 Vertical stress nephogram

4)水平應力。各巷道周圍巖層中水平應力分布情況如圖8所示。原支護方案下,巷道周圍水平方向最大應力為1.068 MPa,各方案水平方向最大應力分別為1.078 MPa、1.087 MPa、1.087 MPa。分析可得,隨注漿錨索排距增加,水平應力逐漸增大,但增加幅度較小,說明在兩幫錨桿間排距參數不變的情況下,增加注漿錨索對水平方向應力影響較小。

圖8 水平應力云圖Fig.8 Horizontal stress nephogram

2.4 支護方案選取

各支護方案的圍巖變形情況,如圖9所示。從圖可看出,各方案對比下,方案1與方案2變形量相差較小,方案3圍巖變形量增加較大,不利于維持巷道穩定;方案1單體支柱間距小,用料多,并不能有效地降低支護成本。綜合考慮,確定方案2為最優方案,既可以保證巷道的安全性,又可以減少支護成本,加快掘進速度。優化后的支護方案如圖10所示,將超前30 m范圍內原有的單體液壓支柱排距由0.9 m擴寬到2.4 m,共減少25排單體立柱,顯著減少單體立柱數量,降低工人勞動強度,增大作業空間。

(a) 圍巖位移情況

(b) 圍巖應力情況

(a) 巷道支護切面圖

(b) 巷道超前段支護布置圖

2.5 現場工業性測試

在B2-516正巷超前區域30 m范圍內開展工業性試驗。由圖15可知,在監測過程中,巷道頂底板和幫部位移量分別為30 mm、50 mm、50 mm、30 mm。巷道兩幫2～10 d有較小幅度變形,巷道頂板位移監測在4～10 d有小幅度增加,隨后趨于穩定。總體監測過程中巷道圍巖變形量較小,圍巖控制效果良好,優化后的方案可以很好地保證巷道安全。

圖11 現場試驗Fig.11 Field test

3 結論

本文采用注漿錨索代替部分單體立柱進行超前支護,開展了室內試驗和數值模擬,并在三交河煤礦B2-516正巷進行了現場試驗,主要結論如下。

1)通過現場取回的煤巖樣品開展室內試驗,確定煤巖抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度以及彈性模量、內摩擦角、黏聚力等參數。

2)通過FLAC3D建立數值模型,根據室內試驗結果設置煤巖層力學參數、初始地應力、邊界條件等,模擬對比了巷道原永久支護和注漿錨索超前支護的效果。

3)在B2-516正巷開展了注漿錨索主動式超前支護試驗和礦壓監測。選用注漿錨索SKZ22-1/1 860 mm×7 200 mm、錨索長度7.2 m、錨索直徑22 mm、錨索托板300 mm×300 mm×12 mm和配套鎖具,以及配套ZQB-25/5氣動注漿泵、10 mm液壓膠管、普通硅酸鹽水泥、注漿添加劑等。為加強安全保障,超前30 m范圍內采用DW32(28)-250/110型單體支柱,配合HDC-4200型π梁進行支護,排距由0.9 m增加到2.4 m,有效減少了單體柱數量,降低了工人勞動強度,增大作業空間。巷道監測結果表明:B2-516正巷整體位移變化量較小,巷道位移總體趨于穩定,錨桿、錨索受力總體趨于穩定。