大南湖一礦1303回風平巷圍巖支護優化研究

張澤泰

(國網能源哈密煤電有限公司大南湖一礦, 新疆 哈密 839000)

1 前言

確保回采巷道圍巖穩定是實現煤炭安全回采的前提條件,受水、采掘擾動、圍巖巖性條件以及地質構造等多因素影響,圍巖容易變形甚至誘發冒頂問題,影響采面煤炭開采[1-3]。分析影響巷道圍巖變形因素并針對性提出優化方案,有助于提升圍巖控制效果,為此眾多學者對圍巖支護優化技術展開研究,其中薛峰[4]針對霍爾辛赫礦3501巷圍巖受力及變形規律,提出巷道頂板、巷幫錨網索補強加固技術方案,現場取得較好補強支護效果;申和欣等[5]針對2021E工作面回采巷道原支護條件下圍巖變形量大問題,依據錨桿-錨索圍巖控制機理及數值模擬結果對巷道支護參數進行優化,工程應用后換到高頂板底板、巷幫變形最大量分別控制在353 mm、151 mm以內,滿足了工作面回采需要;畢海鵬[6]針對大斷面泥巖頂底板巷道圍巖變形大問題,提出采用高強螺紋鋼錨桿+單體錨索、錨索桁架+W鋼帶+槽鋼組合方式對圍巖支護方案進行優化;馮云貴等[7]以水峪礦十采區運輸大巷為研究對象,在對圍巖變形進行現場調研、理論分析及現場試驗基礎上,提出以約束混凝土+注漿錨索為核心控制圍巖變形;孫志勇等[8]對提出綜合DIP(數字圖像處理)、數理統計及理論分析等對巷道圍巖鉆孔窺視及強度測試結果分析,為圍巖力學強度判定、巖體內部成分差異及宏觀缺陷分析等提供了新的分析方法。文中就以大南湖一號礦1303工作面回風平巷圍巖控制為工程背景,結合以往研究成果[9-12]以及回風平巷現場條件、圍巖變形特征等針對性提出圍巖優化支護方案,實現了回風平巷圍巖變形的有效控制。

2 工程概況

2.1 地質概況

大南湖一號礦井井田南北長9.4 km,東西寬8 km,面積約75.28 km2,井田內主要含煤層段含煤層共計29層,可采煤層23層,煤層平均厚度96.49 m,地質儲量54.14億t,可采儲量為29.36億t,設計生產能力1 000萬t/年。1303工作面位于采區西翼,工作面設計長度2 118 m﹙平距﹚,傾向長度為 240 m,采用一進一回的U型通風方式。1303工作面南北兩側分別為1301采空區、圈定的1305工作面,留設的保護煤柱寬度分別為18 m、30 m,具體工作面位置關系如圖1所示。1303工作面采用綜放開采工藝,全部垮落法管理頂板,采煤機采高度為2.8 m,放煤高度為3.2 m,采放比為1∶1.15,循環進尺0.8 m。

圖1 工作面位置示意圖

1303工作面回采的3#煤層埋深約300 m,煤層平均厚6.04 m,為較穩定煤層,煤層為I類自燃煤層,煤塵具有爆炸危險性。3#煤頂底板巖體軟化系數為0.1,其中直接頂為厚4.94 m的泥巖、粉砂巖,質地較軟;直接底為厚0.62 m泥巖;基本底為厚1.07 m粉砂巖,巖性較軟。V3含水層3#煤層回采期間的的直接充水含水層,該含水層位于3#煤頂板約18 m位置,巖性為粗、中砂巖,厚度約為11 m,裂隙發育,為弱含水層。

2.2 回風平巷支護參數

1303回風評巷設計為矩形斷面,采用錨網索支護方式,巷道支護斷面如圖2所示。圍巖支護參數為:

圖2 回風平巷支護斷面圖

(1)頂板支護參數:頂板每排6根錨桿規格φ20 mm×2 500 mm螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×900 mm,頂板兩側錨桿向外插20°～30°,其他錨桿垂直支護;頂板每排兩根規格φ17.80 mm×8 000 mm鋼絞線錨索,間排距為3 000 mm×2 600 mm。

(2)巷幫支護參數:采面幫用規格φ20 mm×2 200 mm玻璃鋼錨桿,煤柱幫用φ20 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿,間排距為均為1 000 mm×900 mm,巷幫每排4根錨桿,巷幫靠頂板側錨桿外插20°～30°、靠底板側錨桿外插45°,其他錨桿垂直巷幫布置。

(3)底板支護參數:底板鋪設厚200 mm的強度C20混凝土。

2.3 巷道圍巖變形情況

1303回風平巷使用期間存在圍巖較破、碎頂煤離層、底鼓、變形破壞嚴重等問題,特別是巷道上幫肩角變形量大,甚至存在有頂板冒頂風險,具體回風平巷現場情況如圖3所示。巷道頂底板、巷幫變形量可分別達到667 mm、445 mm,同時工作面幫位移量明顯較煤柱幫大;巷道底鼓量較大,頂板局部出現網兜情況。回風平巷道圍巖變形量大嚴重影響工作面正常回采,因此需要結合1303工作面回風平巷現場條件針對性對巷道圍巖支護參數進行優化。

圖3 1303回風平巷現場圖

3 回風平巷圍巖變形原因分析

3.1 回風平巷圍巖內部裂隙分布分析

采用鉆孔窺視技術分析回風平巷圍巖內部裂隙發展、分布狀態情況,可掌握巷道圍巖內部的破壞程度及破壞縱向范圍,并可為后續巷道支護優化提供。

1)回風平巷采面幫鉆孔窺視分析

工作面幫鉆孔窺視結果如圖4所示。在0～1.5 m孔壁圖像如圖4a所示,此范圍內裂隙發育、孔壁破碎、巷幫煤體在長時間壓力作用下出現破壞情況,承載能力較差;1.5～4 m孔壁圖像如圖4b所示,孔壁表明裂隙發育、整體較為破碎,同時孔壁裂隙呈現先增加后減少趨勢,縫隙有水滲出;4～5.5 m孔壁圖像如圖4c所示,孔壁煤體較完整、部分位置凹凸不平;孔深超過6 m后孔壁裂隙不發育、平滑。

圖4 工作面幫窺視圖像

2)回風平巷煤柱幫鉆孔窺視分析

煤柱幫鉆孔窺視結果如圖5所示。0～1.5 m孔壁圖像如圖5a所示,孔壁裂隙發育,煤巖體承載能力差、圍巖連續控制效果不佳;2～3 m孔壁圖像如圖5b所示,孔壁四周裂隙發育、有塌落現象,巖體破碎、抗變形能力差;3～6.5 m孔壁裂隙發育,在覆巖應力作用下變形量較大;孔深8～9 m發育有縱橫交錯裂隙,具體如圖5c所示,裂隙中有少量水涌出。

圖5 煤柱幫鉆孔窺視圖像

3)回風平巷頂板鉆孔窺視分析

窺視發現頂板淺部0～2.9 m孔壁裂隙發育、巖體破碎,2.9～6.5 m孔壁光滑、發育有少量交錯裂隙、巖體完整性較好。

3.2 模擬分析

1303工作面涌水量最大可達到200 m3/h,同時窺視鉆孔發現回風平巷圍巖裂隙出現淋水情況,為此使用FLAC3D軟件分析涌水對巷道變形影響,具體模擬采用的圍巖力學參數見表1。模擬結果如圖6所示。

表1 圍巖力學參數

圖6 回風平巷涌水模擬結果

從模擬結果看出:①回風平巷掘進后圍巖滲流平衡場被打破,水平矢量箭頭方向均指向回風平衡,表明涌水是影響回風平巷圍巖變形的一個重要因素;②鄰近的1301工作面回采后,回風平巷水平矢量箭頭有所增大,主要是在采動影響下回風平巷圍巖變形量增大,從而導致圍巖涌出量有所增大,但是水平矢量箭頭增大幅度相對較小;③無論鄰近的1301工作面是否回采,回風平巷涌水均是采面幫大于煤柱幫;④回風平巷涌水量較大,容易出現積水,同時由于巷道圍巖為遇水容易膨脹、泥化及崩解的軟巖(巷道圍巖軟化系數平均為0.1),回風平巷涌水會明顯減低圍巖承載能力,進而影響圍巖變形控制效果。因此,水是影響回風平巷圍巖控制效果的關鍵因素之一。

3.3 巷道變形原因分析

結合1303回風平巷現場條件、圍巖變形特征、鉆孔窺視成果以及回風平巷涌水模擬結果等,認為回風平巷圍巖變形量較大的主要因素為:

(1)軟巖物理力學性質影響。巖性是巷道保持穩定的基本因素,3#煤層圍巖巖性較軟,易風化,遇水易泥化,崩解等不良性質,抗壓強度為13 MPa,不利于巷道的穩定。

(2)煤柱應力集中。1303回風平巷區段煤柱應力集中,容易導致巷道出現不對稱變形,增大圍巖變形量。

(3)地下水的影響。3#煤層受V3含水層影響,結合數值模擬對巷道涌水分析得出地下水在巷道工作面幫側涌出量大,巷道底板巖性為泥巖、煤,軟化系數為0.1,加劇了巷道工作面幫側的變形。

(4)采動影響。1301工作面回采后煤柱應力集中,1303回風平巷塑性區面積增大而破壞嚴重。

(5)支護結構不合理。巷道支護形式單一,且為一次支護,不適應圍巖變形要求;底板無支護,同時底板巖體抗壓強度較低,導致巷道底鼓嚴重。通過上述分析,對于巷道支護方案應以提高圍巖抵抗變形的能力,加強底板支護,對巷道應進行注漿,加長錨桿支護。

4 巷道支護參數優化及應用分析

4.1 巷道支護參數優化

1)錨桿及錨索長度確定

①錨桿長度

錨桿長度L公式為

L≥L1+L2+L3

(1)

式中:L1——錨桿外露長度,取0.05 m;

L2——有效長度,m;

L3——端頭錨固長度,取0.45 m。

L2依據鉆孔窺視成果確定,鉆孔窺視發現頂板冒落高度2.4 m,煤柱幫及工作面幫松動范圍分別為2.9 m、2.7 m,因此取L2=2.9 m。求得L=3.4 m。

②錨索長度

錨索長度Lm公式為

Lm≥La+Lb+Lc+Ld

(2)

式中:La——錨索在穩定巖層內長度,取1.9 m;

Lb——頂板塑性區,取6.5 m;

Lc——錨具厚度,取0.20 m;

Ld——外露長度,取0.30 m。求得Lm=9 m。

2)巷道支護參數設計

針對1303回風平巷圍巖地質情況,通過研究對巷道支護參數進行優化,共提出兩種優化支護方式,分別為方案一:錨桿+錨索+金屬網、方案二:錨桿+錨索+金屬網+注漿,并通過數值模擬方式對優化支護方案進行優選。具體支護參數見表2,支護斷面如圖7所示。

表2 巷道優化參數

圖7 優化后巷道斷面設計

4.2 巷道支護優化方案優選

采用FLAC3D軟件模擬分析1303工作面回風平巷在不同支護方案下的塑形區、變形情況,確定最佳巷道支護方案。建立的模擬模型傾向、走向以及垂高分別為40 m、5 m、45 m,固定模型底板及兩側邊界,上部為自由邊界且均勻施加豎向載荷。

4.2.1 塑性區分析

具體不同支護方案下回風平巷塑性區分布情況如圖8所示,塑性區面積變化對比結果見表3。結合圖8及表3得知。

表3 圍巖塑性區面積

圖8 塑性區對比圖

(1)相比現支護方式,采用方案一時圍巖塑性區范圍及面積均明顯減低,工作面幫塑性區深度由5.0 m降至1.5 m,底板塑性區由4 m降2 m,僅錨桿端出現塑性區,表明方案一能發揮圍巖抗變形能力。

(2)采用第二種支護方式時回風平巷除了底板外,周圍塑性區深度在1 m之內,底板破壞范圍較大,為2 m;與方案一相比,錨桿端部不存在塑性區,且巷幫塑性區分布對稱、塑性區面積由19 m2降至11 m2。回風平巷隨著支護強度的增加,塑性區面積在急劇減小。

4.2.2 垂向位移分析

具體不同支護方案下回風平巷垂向位變化情況如圖9所示,圍巖垂向位移量見表4。結合圖9及表4得知:

表4 垂向位移

圖9 垂向位移

(1)相比現支護,采用方案一時回風平巷頂板下沉點變化不明顯、底鼓最大點向采面幫移動,頂板下沉量由390 mm降至290 mm,底鼓量由263 mm降至88 mm。

(2)采用第二種支護方式時巷道頂板下沉量降至113 mm、底板底鼓量降至15 mm,與方案一相比頂板下沉量及底鼓量分別減小了177 mm、73 mm,表明注漿可有效提高巷道圍巖整體強度、降低水對回風平巷圍巖變形影響。

4.2.3 水平位移分析

具體不同支護方案下回風水平位移變化情況如圖10所示,圍巖水平位移量見表5。結合圖10及表5得知:

表5 水平位移

圖10 水平位移

(1)相比現支護,采用方案一時工作面幫水平位移量由310 mm降至164 mm,煤柱幫由199 mm降至160 mm,兩幫水平位移量較為接近。

(2)巷道頂板采面幫、煤柱幫位移量分別降至43 mm、39 mm,與方案一相比采面幫、煤柱幫位移量分別減小了121 mm、121 mm,表明注漿可有效提高巷道圍巖整體強度、降低水對回風平巷圍巖變形影響。

綜上所述,1303回風平巷采用方案二時,巷道圍巖變形減小較為明顯,較現支護方式頂板、底板、工作面幫及煤柱幫分別減少了277 mm、248 mm、267 mm、160 mm;通過比對分析得出,1303工作面回風順槽在應力集中、水綜合作用下,僅通過錨網索支護無法做到有效控制圍巖變形目的,需對圍巖進行注漿。因此,1303回風平巷圍巖支護優化方案采用方案二,即錨桿+錨索+金屬網+注漿加強支護方式。

4.3 工程應用效果分析

1303回風平巷原支護條件下頂底板板、巷幫變形量最大分別為667 mm、445 mm,無法滿足使用需要。在1303回風平巷圍采用錨桿+錨索+金屬網+注漿加強支護方式對圍巖支護進行優化,回風平巷支護10 d后圍巖變形基本穩定,頂底板、巷幫變形量最大分別為182 mm、63 mm,變形量較原支護方式分別降低72.7%、85.8%,圍巖控制效果顯著。

5 結論

針對大南湖一礦1303回風平巷圍巖不對稱變形進行研究,并結合現場圍巖變形特征、鉆孔窺視、模擬分析等分析回風平巷圍巖變形原因,并具體給出支護優化方案,具體取得以下成果:

(1)1303回風平巷圍巖變形量大的主要原因為:①圍巖淋水,巖體松軟、遇水易軟化、泥化,煤柱應力集中、底板支護強度低;②巷道原有支護參數不合理,錨桿及錨索支護效果差。

(2)結合鉆孔窺視成果及圍巖巖性、淋水情況等,提出兩種圍巖支護優化方案(錨桿+錨索+金屬網基本支護方式、錨桿+錨索+金屬網+注漿加強支護方式)并通過FLAC3D數值模擬對巷道支護優化方案進行優選,最終確定通過增大錨桿、錨索長度及支護密實提高圍巖支護強度并結合圍巖注漿降低淋水對巷道支護影響方式支護圍巖。

(3)監測優化巷道圍巖變形發現,頂底板、巷幫最大收斂量分別為182 mm、63 mm,回風平巷圍巖穩定且變形量較小,可避免工作面回采期間巷道頻繁修整維護等問題,表明優化后的巷道支護圍巖控制效果顯著。