回采巷道過斷層長短錨索組合支護優化技術

任小東

(陜西陜煤銅川礦業公司玉華煤礦柴家溝井,陜西 銅川 727200)

0 引言

在地下煤礦開采過程中,地質條件相對比較復雜[1-4]。工作面經常會在掘進或者回采過程中遇到地質構造,斷層就是最常見的一種[5-8]。在生產過程中工作面往往會因為過斷層,而造成頂板垮落、傷人、巷道圍巖變形等問題[9-12]。玉華煤礦柴家溝井42226工作面運輸順槽過斷層時原支護方案不能有效控制巷道圍巖變形,為此,采用長短錨索組合優化支護方案。便于控制巷道圍巖變形量,探究全錨索的支護形式在過斷層巷道中的作用,以期確保煤礦巷道過斷層圍巖穩定性,進而為企業營造良好安全的作業環境。

1 工程地質概況

銅川礦業公司玉華煤礦柴家溝井正在開采4號煤層,煤層傾角為2°～7°,厚度為2.03～3.86 m,平均3.22 m,全區穩定可采,煤層結構相對簡單。目前,井下正在布置42226綜采工作面,工作面相對位置為南鄰4號回風大巷,北鄰實體煤,西鄰42227運輸順槽,東鄰實體煤。42226工作面頂板為厚6.33～12.89 m的石灰巖,抗壓強度為54.60～60.57 MPa,飽和抗壓強度為49.40～48.10 MPa;底板為厚1.86～3.93 m的泥巖,飽和抗壓強度為9.36～13.00 MPa。

42226工作面運輸順槽設計長度為1 600 m,沿著4號煤層頂板掘進,掘寬為5 000 mm,掘高為3 100 mm,巷道斷面為15.5 m2。當42226工作面運輸順槽掘進至1 415 m時揭露F4斷層,斷層為東西走向,東偏北63°方向,斷距1.2 m,傾向為傾角80°;當42226工作面運輸順槽掘進至1 505 m時揭露F2斷層,斷層東西走向,東偏北77°方向,斷距1.9 m,南北傾向,傾角80°。通過現場觀測,42226工作面運輸順槽掘進過F4和F2斷層時圍巖破碎,巷道變形嚴重,支護困難等問題亟待解決。

2 巷道原支護方案及圍巖變形破壞特征

2.1 巷道原支護方案

巷道頂板錨索采用規格為φ17.8 mm×6 000 mm鋼絞線錨索,每排2根布置,間距2 000 mm,距巷幫1 500 mm,排距2 400 mm,張拉預緊力≥210 kN,配套使用托盤及錨固劑。錨桿采用規格為φ22 mm×2 400 mm的MG500高強度螺紋鋼錨桿,間排距為1 000 mm×1 200 mm,邊錨桿距巷幫500 mm,要求向巷幫側傾斜10°,每排布置5根頂板錨桿。巷道兩幫每排布置4根錨桿,規格為φ22 mm×2 000 mm的MG500高強度螺紋鋼錨桿。間排距900 mm×1 200 mm,上部錨桿距頂板150 mm,向上傾斜10°,下部錨桿距底板250 mm,與巷幫垂直,錨桿的扭矩為200 N·m。

2.2 原支護問題分析

在揭露斷層前原支護圍巖控制效果良好,但當42226工作面運輸順槽揭露F4和F2斷層時,巷道圍巖出現一定程度破壞,原支護已不足對圍巖變形起到有效控制,急需對支護方案進行優化。其中原支護下巷道圍巖最主要破壞特征有以下3個方面：①巷道頂板圍巖出現應力集中顯現,局部區域破碎,頂板中部有明顯下沉,個別錨桿、錨索被剪斷,金屬網也被破壞,最大變形量為720 mm。②巷道兩幫出現收斂變形,在揭露斷層的第1周,巷道圍巖變形速度明顯增快,最大移近速率可達55 mm/d,最大變形量為650 mm,局部夾有較薄煤層,已出現局部片幫現象。③巷道底板因淋水后圍巖軟弱,底板中部變形破壞明顯出現底鼓,向兩幫側開始擴展,最大變形量為560 mm。

3 過斷層長短錨索優化支護圍巖控制方案

42226工作面運輸順槽過F4和F2斷層時優化后的設計采用長短錨索組合支護方案,頂板采用長6 m、短3.5 m錨索,配套使用鋼帶組合進行支護;幫部采用3.5 m短錨索支護。圖1為過斷層長短錨索支護斷面,圖2為過斷層長短錨索支護平面。

圖1 過斷層長短錨索支護斷面示意Fig.1 Section of pass-through-fault long and short anchor cables support

圖2 過斷層長短錨索支護平面示意Fig.2 Plane of pass-through-fault long and short anchor cables support

頂板支護過程中,巷道頂板長錨索采用規格為φ17.8 mm×6 000 mm鋼絞線錨索,間排距2 000 mm×1 200 mm,每排為“212”布置,配套使用托盤及錨固劑,張拉預緊力≥300 kN。短錨索每排布置5根,規格為φ15.24 mm×3 500 mm鋼絞線錨索,間排距1 000 mm×1 200 mm,配套使用托盤及錨固劑,錨固力≥110 kN,單根短錨索預應力不小于120 kN。頂部短錨索搭配鋼帶規格為4 900 mm×80 mm×35 mm(長×寬×厚),孔間距1 000 mm。頂板網片為φ6 mm的鋼筋焊接,規格為2 800 mm×1 400 mm,網孔大小為100 mm×100 mm。兩幫支護時,巷道兩幫每排布置4根短錨索,規格為φ15.24 mm×3 500 mm鋼絞線錨索,間排距900 mm×1 200 mm,配套使用托盤及錨固劑,張拉預緊力≥250 kN。錨固力≥110 kN,單根短錨索預應力不小于120 kN。兩幫搭配幫鋼帶規格為2 900 mm×80 mm×35 mm(長×寬×厚),孔間距為900 mm。兩幫網片采用12#鐵絲編制而成的菱形網,規格為3 000 mm×1 400 mm,網格大小為50 mm×50 mm。

4 支護效果分析

因原支護方案下42226工作面運輸順槽過斷層支護困難,巷道變形嚴重。根據提出的優化后支護方案,借助FLAC3D數值模擬軟件,對玉華煤礦柴家溝井42226工作面工程概況建立數值模擬模型,模擬42226工作面運輸順槽原支護和優化后的支護方案下巷道圍巖塑性區分布情況,圖3為巷道圍巖塑性區分布。由圖3(a)和(b)可知,原支護時巷道圍巖頂底板及兩幫圍巖塑性區分布明顯增大,破壞單元格較多。在采取現支護方案后,巷道圍巖頂底板及兩幫圍巖塑性區分布明顯減少,尤其是頂板上部單元格減少明顯,有效控制了巷道圍巖變形量,能夠保證巷道穩定。

圖3 巷道圍巖塑性區分布Fig.3 Plastic area distribution of roadway surrounding rock

為檢驗在42226工作面運輸順槽過F4和F2斷層時采用長短錨索組合優化支護方案后的現場支護效果,在運輸順槽1 450 m和1 550 m各布置1個測點來監測巷道圍巖頂板下沉、底板底鼓和兩幫收縮的位移量。2個測點監測周期都為60 d,監測頻率為5 d/次。圖4為測點1和測點2巷道表面位移監測結果。

圖4 巷道表面位移監測結果Fig.4 Surface displacement monitoring results of roadway

根據圖4可知,兩測點圍巖頂板下沉、底板底鼓和兩幫收縮量總體變化趨勢基本保持一致,測點1和測點2都是在監測前20 d內巷道圍巖變形速度增快,20 d后圍邊變形量開始逐漸趨于穩定。原支護方案下,巷道圍巖頂板變形量最大為720 mm,兩幫圍巖移近量最大為650 mm,巷道底板最大變形量為560 mm。在采用長短錨索組合優化支護方案后,巷道圍巖變形量明顯減少,巷道頂板最大下沉量為158 mm,底板底鼓量最大為92 mm,兩幫收縮量最大為166 mm。頂板、底板及兩幫圍巖變形量分別為原變形量的21.9%、16.4%和25.5%。

結合井下現場觀測的頂板離層監測與錨索壓力監測數據表明,運輸順槽頂板離層量為0～1 mm,錨索承載受力監測結果如圖5所示。可以看出,測點1和測點2頂板和兩幫錨索受力大概趨勢為觀測前期增長幅度大,觀測中期錨索受力開始呈下降趨勢,觀測后期錨索受力開始趨于穩定并且有小幅度振蕩。頂板錨索在觀測的1～6 d內錨索受力增長速度急劇最大受力值為300 kN,在觀測的 7～12 d內錨索受力開始逐漸減少,并且在13～29 d內錨索受力已經逐漸穩定,錨索受力值穩定在285 kN且有小幅度震蕩;但是兩幫上部和下部錨索的受力值相差明顯,兩幫上部錨索最大受力值為142 kN,在觀測的12 d后開始逐漸趨于穩定,兩幫上部錨索受力穩定在120 kN;兩幫下部錨索受力變化趨勢大致和上部錨索相同,兩幫下部錨索最大受力值為310 kN,在觀測13 d后開始逐漸趨于穩定,兩幫下部錨索受力穩定在275 kN;兩幫上部和下部錨索的受力值不同,下部錨索受力值遠遠大于上部錨索受力值。通過分析原因可知,由于42226工作面運輸順槽沿著4號煤層頂板掘進,巷道直接底為煤體,煤體受力后變形量遠遠大于頂板巖層變形量,所以,下部錨索受力大于上部錨索受力值。值得注意的是,通過圖4測點1和測點2可以看出,錨索受力穩定且承載能力還有較大富余。由此可證明,42226工作面運輸順槽采用長短錨索組合優化支護方案后,巷道圍巖頂板、兩幫和底板變形量得到了有效控制,錨索受力情況良好,能夠在工作面開采的動壓影響下較好地控制巷道圍巖兩幫平移變形,保證了巷道圍巖的穩定性,能夠滿足安全生產的需要。

圖5 錨索受力監測結果Fig.5 Force monitor results of anchor cables

5 結論

煤礦巷道支護安全生產工作是一項持久戰,特別是我國部分煤礦面臨作業條件艱苦、地質條件復雜、支護參數不準確、安全設施落后等問題。經過對過斷層時采用長短錨索組合優化支護方案后,增強了42226工作面運輸順槽巷道圍巖的整體性。通過現場支護效果監測,頂板、底板及兩幫圍巖變形量分別為原變形量的21.9%、16.4%和25.5%。結合頂板離層儀數值和頂板兩幫的錨索受力值得出,過斷層時采用長短錨索組合支護方案,能夠有效控制了巷道圍巖變形量,且錨索受力良好且有富余,支護效果明顯。