基于支護優化和切頂卸壓的鄰采鄰掘巷道圍巖控制技術

鄧 輝

(山西焦煤集團有限責任公司 東曲煤礦,山西 太原 030200)

目前煤礦生產礦井進入衰減期,開拓緊張及產能增加等因素[1]導致常規跳采不能滿足正常采掘接替。在本工作面回采期間進行鄰近工作面回采巷道的掘進作業是避免采掘接替失調的有效方法[2]。然而工作面采動引起的側向超前和滯后支承壓力勢必對鄰采鄰掘巷道的掘進和維護造成困難,使鄰采鄰掘巷道產生大變形,甚至不能正常使用[3-4]。山西省應急管理廳發文《我省制定強化煤礦頂板安全管理16項措施》指出,“鄰采鄰掘”巷道必須采取相應措施并論證可行后方可開掘。本文以東曲煤礦28214地質資料為背景,分析支護優化和切頂卸壓對鄰采鄰掘巷道圍巖的控制效果。

1 工程概況

東曲煤礦28214綜采工作面開采平均厚度3.50 m的8號煤層,煤層平均傾角2°.工作面偽頂為1.65 m厚的泥質灰巖,單軸抗壓強度31 MPa;直接頂為0.9 m厚的泥質灰巖,單軸抗壓強度76 MPa;老頂為3.5 m厚的石灰巖,單軸抗壓強度92 MPa;直接底為1.54 m厚的砂質泥巖,單軸抗壓強度65 MPa.現場實踐表明,8號煤層回采擾動會導致鄰近28212回采巷道頂板、兩幫產生較大變形,巷道圍巖變形控制困難。28214工作面與28212工作面相對位置關系如圖1所示。

圖1 工作面相對位置關系圖

2 支護優化及切頂卸壓方案設計

2.1 支護參數優化設計

28212回采巷道為矩形斷面,掘進寬度和掘進高度分別為4 800 mm和3 500 mm.原支護采用錨網索支護,具體參數如下所述:頂板每排6根Φ20 mm×2 200 mm左旋螺紋鋼錨桿,間排距900 mm×1 000 mm;幫部每排5根Φ18 mm×1 800 mm左旋螺紋鋼錨桿,間排距800 mm×1 000 mm;頂板錨索為Φ21.6 mm×7 300 mm的1×7結構高強度低松弛鋼絞線錨索“三·三”布置,間排距為1 800 mm×2 000 mm.

優化后28212回采巷道為錨網索+W型鋼帶支護方式,支護參數見圖2.具體參數為:頂、幫均采用Φ22 mm×2 400 mm的MG500型左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿,頂錨桿間排距900 mm×900 mm,幫錨桿間排距950 mm×900 mm;錨索采用Φ21.8 mm×7 300 mm的1×19股鋼絞線,間排距1 300 mm×1 800 mm;使用厚度為3 mm的W型鋼帶連接頂、幫錨桿索。

圖2 優化支護斷面圖(單位:mm)

2.2 切頂卸壓方案設計

合理的切縫角度和高度可以使切頂高度內巖層在覆巖載荷及自身重量的共同影響下及時垮落,阻斷巖層間的應力傳遞,改善采掘空間應力環境提升穩定性[5-6]。

2.2.1 切頂高度計算

切頂高度以工作面回采過后,垮落頂板能夠完全充填采空區為最佳[7]。根據式1計算得到完全充滿采空區的爆破切頂高度H[8]:

(1)

式中:M為煤層厚度,取3.50 m;KP為頂板巖石碎脹系數,取1.15.

由式(1)計算得到,28214回采巷道切頂后能夠使頂板垮落巖層充滿采空區的切頂高度為23.33 m,取23.5 m.

2.2.2 切頂角度分析

工作面回采過后,回采巷道頂板可視為斷臂懸梁結構[9]。切頂傾角的確定需要考慮如下因素:①在同樣切頂高度條件下,切頂線長度相對較短;②切頂后斷裂頂板下沉過程中切頂面上的摩擦阻力相對較小;③便于現場施工;④切頂后回采工作面側向懸頂長度相對較小,且對回采工作面側向支承壓力的釋放效果好;⑤超前工作面在巷道中實施切頂后,便于巷道頂板穩定性管理。綜合考慮上述5個因素,炮孔角度與鉛錘方向成15°,布置于巷道頂板距煤柱幫300 mm處,偏向保護煤柱一側,如圖3所示。

圖3 28214回采巷道切頂角度示意

2.2.3 切頂方案

在28214工作面回采巷道內沿工作面推進方向超前工作面40～50 m施工預裂爆破鉆孔,炮孔垂直高度23.5 m,炮孔直徑48 mm,炮孔間距500 mm.隨著工作面的推進,一次起爆3～5個炮孔,隨采循環爆破,阻斷28214回采巷道上方應力傳遞。炮孔布置示意圖如圖4所示。

圖4 炮孔布置示意

3 數值模擬分析

3.1 數值模型建立與模擬方案

以東曲煤礦28214工作面地質資料為基礎,運用FLAC3D數值模擬軟件建立28214工作面回采及28212鄰采鄰掘巷道掘進的數值模型,模型長×寬×高=220 m×400 m×80 m,頂部施加相應的上覆巖層9.97 MPa的均布載荷,模型底部為固定邊界,側面限制水平位移,頂部施加相應的上覆巖層均布載荷。28214回風巷與28212運輸巷間留設煤柱凈寬20 m.模型剖面圖和平面圖如圖5所示。

圖5 模型邊界條件及工作面布置示意

制定東曲煤礦鄰采鄰掘巷道原始支護+不切頂(方案1)、原始支護+切頂(方案2)、優化支護+切頂(方案3)共3個方案,論證基于支護優化和切頂卸壓的鄰采鄰掘巷道圍巖的穩定性。具體計算流程為:模型賦值及初始平衡—28214回風巷一次開挖、支護并計算至平衡—28214工作面每開挖10 m進行一次模型平衡、采空區填充為一個循環,循環開挖—當模擬方案需要切頂卸壓時,采用循環開挖的方式在28214回風巷煤柱幫頂板超前工作面50 m范圍內布置切頂鉆孔—同時28212運輸巷掘進模擬計算采用循環開挖的方式,開挖采用相應的支護參數支護,并運算至平衡。直至28214工作面與28212運輸巷分別推進到距模型邊界位置處停止。

大量研究表明[10],受綜采工作面采動引起的側向支承壓力隨滯后工作面距離的增加而增大并逐漸穩定,上區段工作面采動引起的側向支承壓力在滯后工作面150 m處穩定至最大值。故本節對鄰采鄰掘巷道掘進至28214工作面后方150 m處的圍巖屈服破壞單元、錨桿/索軸力分布、圍巖應力分布特征及圍巖位移特征進行分析,論證基于支護優化和切頂卸壓的鄰采鄰掘巷道圍巖的穩定性。

3.2 模擬結果分析

3.2.1 鄰采鄰掘巷道圍巖屈服破壞單元和錨桿/索軸力分布特征

圖6為不同模擬方案Ⅰ-Ⅰ剖面鄰采鄰掘巷道的圍巖屈服破壞單元分布圖。圖7為不同模擬方案鄰采鄰掘巷道的錨桿/索軸力分布圖。

圖6 不同模擬方案鄰采鄰掘巷道的圍巖屈服破壞單元分布圖

圖7 不同模擬方案鄰采鄰掘巷道的錨桿/索軸力分布圖

對比圖6(a)和圖6(b)可知,方案1中28214工作面采動導致煤柱內部塑性區破壞深度達到7.5 m,鄰采鄰掘巷道頂板、底板、煤柱幫和回采幫破壞深度分別為2.1 m、1.4 m、3.9 m和2.8 m.方案2中切頂卸壓使28214工作面采動導致的煤柱內塑性區破壞深度減小至3.0 m,鄰采鄰掘巷道頂板、底板、煤柱幫和回采幫破壞深度分別減小至1.1 m、1.0 m、2.1 m和2.1 m.切頂卸壓使鄰采鄰掘巷道圍巖的穩定性得到明顯改善。由圖6(c)可知,方案3中28214工作面采動導致煤柱內部塑性區破壞深度為3.0 m,鄰采鄰掘巷道頂板、底板、煤柱幫和回采幫破壞深度進一步減小至0.9 m、1.0 m、1.6 m和1.4 m.可見,優化支護+切頂條件下,鄰采鄰掘巷道圍巖處于穩定狀態。

由圖7可知,鄰采鄰掘巷道巷幫錨桿、頂板錨桿和頂板錨索沿其軸向的受力不均勻,未錨固部分的受力明顯大于錨固部分,錨固段端部受力最小,巷幫中部錨桿受力較大,煤柱幫錨桿受力顯著大于回采幫。

對比圖7(a)和圖7(b)可知,鄰采鄰掘巷道幫錨桿、頂錨桿和頂錨索的最大軸力分別由方案1的202 kN、72 kN和235 kN降低至方案2的171 kN、43 kN和179 kN.切頂卸壓的影響使鄰采鄰掘巷道錨桿、索承受的軸力有所下降,圍巖處于可控狀態。由圖7(c)可知,方案3中鄰采鄰掘巷道幫錨桿、頂錨桿和頂錨索的最大軸力分別為148 kN、55 kN和179 kN,分別為錨桿和錨索屈服載荷的77.8%、28.9%和34.9%,此時,圍巖處于穩定狀態。

3.2.2 鄰采鄰掘巷道圍巖應力分布特征

圖8為不同模擬方案Ⅰ-Ⅰ剖面鄰采鄰掘巷道的圍巖垂直應力分布云圖。

圖8 不同模擬方案鄰采鄰掘巷道的圍巖垂直應力分布云圖

對比圖8可知,方案1條件下,28214工作面回采導致煤柱內靠近采空區側10 m范圍內出現顯著的垂直應力集中區,方案2和方案3條件下該應力集中區消失,說明切頂卸壓可以顯著降低回采擾動造成的側向煤體中的應力集中現象。鄰采鄰掘巷道回采幫和煤柱幫形成非對稱的垂直“應力升高區”,方案1、方案2和方案3條件下回采幫垂直應力峰值分別為32.3 MPa、26.1 MPa和25.3 MPa,距巷幫2.5 m、1.9 m和1.7 m;煤柱幫垂直應力峰值分別為28.7 MPa、22.4 MPa和22.0 MPa,距巷幫2.4 m、2.2 m和2.1 m.

從垂直應力的分布結果看,切頂卸壓可以顯著改善鄰采鄰掘巷道圍巖的應力環境,支護參數的優化可以進一步提升圍巖的穩定性。

3.2.3 鄰采鄰掘巷道圍巖位移特征

圖9為不同模擬方案鄰采鄰掘巷道圍巖移近量隨至28214回采工作面煤壁前后150 m范圍內變化的計算結果曲線圖。

圖9 不同模擬方案鄰采鄰掘巷道圍巖位移量隨至工作面煤壁距離的變化

由圖9可知,鄰采鄰掘巷道圍巖變形量由超前28214工作面煤壁100 m處開始增加,隨超前28214工作面煤壁距離的減小直至推進至滯后28214工作面煤壁150 m處逐漸增大并趨于穩定。切頂卸壓可以顯著降低鄰采鄰掘巷道受28214工作面采動的劇烈影響范圍,并且降低了隨至工作面煤壁前后不同距離處的圍巖位移量。方案1中鄰采鄰掘巷道兩幫最大移近量為464 mm,頂底板移近量為261 mm,巷道圍巖變形量較大,處于不穩定狀態。方案2中鄰采鄰掘巷道兩幫最大移近量為67 mm,頂底板移近量為130 mm,巷道圍巖變形量處于可控范圍內。方案3中鄰采鄰掘巷道兩幫最大移近量為37 mm,頂底板移近量為96 mm,巷道圍巖變形量較小,巷道處于穩定狀態。

綜上所述,東曲煤礦鄰采鄰掘巷道在優化支護+切頂條件下,巷道圍巖處于穩定狀態,能夠保證鄰采鄰掘巷道的安全使用。

4 結 語

本文以東曲煤礦鄰采鄰掘巷道大變形工況為背景,通過數值模擬方法討論支護優化和切頂卸壓對鄰采鄰掘巷道圍巖的控制效果。切頂高度為23.5 m,炮孔角度與鉛錘方向成15°,偏向保護煤柱一側的超前切頂卸壓方案可以顯著減小28214工作面采動導致煤柱內部塑性區破壞深度和鄰采鄰掘巷道圍巖破壞深度,還可以顯著改善鄰采鄰掘巷道圍巖的應力環境。在切頂的基礎上進行支護參數的優化可以進一步提升圍巖的穩定性?；谥ёo優化和切頂卸壓的鄰采鄰掘巷道圍巖兩幫最大移近量為37 mm,頂底板移近量為96 mm,巷道圍巖變形量較小,巷道處于穩定狀態,能夠保證鄰采鄰掘巷道的安全使用。