張學(xué)鋒

(潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102)

常村煤礦為高瓦斯礦井，分上下水平開采，520水平逐步枯竭，470下水平工作面掘進(jìn)時(shí)瓦斯涌出量較大，必須配套瓦斯鉆場(chǎng)及瓦斯抽放系統(tǒng)。和普通巷道尺寸相比較，大斷面瓦斯抽放鉆場(chǎng)具有巷道跨度大、采掘擾動(dòng)影響范圍廣、頂板離層下沉等特點(diǎn)，巷道圍巖穩(wěn)定性普遍較差，特別需要加強(qiáng)支護(hù)控制。本文采用FLAC3D三維數(shù)值模型對(duì)常村煤礦470水平22采區(qū)2201軌道巷鉆場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析。

1 工程背景

2201工作面位于470水平22采區(qū)，工作面傾向長(zhǎng)260 m，走向長(zhǎng)1 010 m，工作面標(biāo)高為440～460 m，屬于近水平工作面，煤層厚度為5.95～7.30 m，平均厚度為6.65 m，局部含夾矸一層，平均厚度為0.33 m，開采方式為走向長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤采煤法。巷道內(nèi)瓦斯抽采鉆場(chǎng)采用邁步式布置，間隔60 m，斷面為不規(guī)則梯形，外寬8 m、里寬4 m、深4 m，鉆場(chǎng)與巷道中線呈45度外偏角抹角，高度同掘進(jìn)巷道一致。支護(hù)方式為全錨支護(hù)，巷道采用“小五花”布置，排距1 m；鉆場(chǎng)內(nèi)每排2根，排距1 m。為了分析錨索的支護(hù)效果，以2201工作面軌道巷鉆場(chǎng)為研究對(duì)象，采用FLAC3D軟件建立了如圖1 所示的三維數(shù)值模型，分析瓦斯抽放鉆場(chǎng)掘進(jìn)過程中圍巖應(yīng)力和變形情況。

2 鉆場(chǎng)掘進(jìn)過程中圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

鉆場(chǎng)開挖后，其形成的圍巖最大主應(yīng)力分布云圖如圖2所示。從圖中可以看出，圍巖受到鉆場(chǎng)開挖二次擾動(dòng)后，應(yīng)力最大值達(dá)到14.143 MPa,頂板應(yīng)力擾動(dòng)范圍達(dá)到16 m。同時(shí)，靠近鉆場(chǎng)一側(cè)的幫圍巖內(nèi)的集中應(yīng)力距離巷道表面減少為3.6 m。說明，鉆場(chǎng)開挖后，圍巖應(yīng)力擾動(dòng)范圍擴(kuò)大，致使巷道淺部圍巖變形量顯著增加。

圖1 2201軌道巷鉆場(chǎng)模型

圖2 鉆場(chǎng)形成后圍巖應(yīng)力分布云圖

3 鉆場(chǎng)掘進(jìn)過程中圍巖位移變形規(guī)律

鉆場(chǎng)開挖后，其形成的圍巖位移分布云圖如圖3 所示。從圖中可以看出，開挖鉆場(chǎng)一側(cè)的幫部圍巖變形量最大為272.7 mm，頂板圍巖最大下沉量為180 mm，出現(xiàn)在整個(gè)巷道跨度中間4.5 m的位置。同時(shí)，頂板深部巖層離層量增加至30 mm。以此可以看出，鉆場(chǎng)掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的二次擾動(dòng)會(huì)影響巷道圍巖穩(wěn)定性，尤其是軌道巷整體跨度增加至9 m后，頂部巖層的彎曲下沉量和內(nèi)部離層會(huì)加快；同時(shí)巷道圍巖應(yīng)力重新分布的整個(gè)過程也會(huì)對(duì)鉆場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響，這就必須對(duì)鉆場(chǎng)及其周邊進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

圖3 鉆場(chǎng)形成后圍巖位移分布云圖

4 鉆場(chǎng)加強(qiáng)支護(hù)

鉆場(chǎng)開挖后，為保持圍巖穩(wěn)定性，需加強(qiáng)鉆場(chǎng)頂板和三幫支護(hù)，對(duì)鉆場(chǎng)口及前后10 m范圍內(nèi)巷道加強(qiáng)支護(hù)，頂幫全部由1 m排距縮為0.9 m排距施工，鉆場(chǎng)口及前后5 m在鉆場(chǎng)側(cè)每排打設(shè)一根D22 mm×7 300 mm鎖口錨索，鉆場(chǎng)內(nèi)每排打設(shè)兩根錨索，同時(shí)在巷幫中間位置采用一根錨索隔排打設(shè)對(duì)巷幫加強(qiáng)支護(hù)，錨索規(guī)格為D22 mm×4 300 mm的1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，延伸率7%，錨索托板規(guī)格為拱高60 mm、300 mm×300 mm×16 mm的高強(qiáng)度可調(diào)心托板及其配套鎖具。錨固時(shí)使用3支中速2350樹脂藥卷進(jìn)行錨固，攪拌時(shí)間為(40±5)s。錨索預(yù)應(yīng)力不低于250 kN，實(shí)行超漲拉，初次漲拉不低于300 kN，錨固力不小于300 kN。鉆場(chǎng)掘成后在正巷切線上隔排打設(shè)一根小頭直徑不小于200 mm的點(diǎn)柱，并安設(shè)綜合測(cè)站，具體參數(shù)如圖4 所示。

圖4 鉆場(chǎng)加強(qiáng)支護(hù)平面

5 礦壓觀測(cè)及應(yīng)用效果分析

為及時(shí)觀察瓦斯抽放鉆場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)和變形情況，在2201軌道巷鉆場(chǎng)內(nèi)布置一個(gè)綜合測(cè)站，測(cè)站內(nèi)包含一個(gè)表面位移監(jiān)測(cè)斷面、一個(gè)頂板離層儀、一個(gè)錨索受力監(jiān)測(cè)斷面和三個(gè)錨桿受力監(jiān)測(cè)斷面。巷道掘進(jìn)時(shí)每班對(duì)壓力情況進(jìn)行了觀測(cè)和記錄，并對(duì)比分析。通過礦壓觀測(cè)結(jié)果來看，巷道頂板下沉量在35～65 mm之間，巷幫的位移量在55～95 mm之間，支護(hù)效果良好，后期頂板穩(wěn)定，保證了采掘期間的頂板安全。

6 結(jié) 語

通過對(duì)鉆場(chǎng)模擬及現(xiàn)場(chǎng)效果觀測(cè)分析，結(jié)果得出：鉆場(chǎng)開挖后會(huì)產(chǎn)生明顯位移，通過加強(qiáng)支護(hù)后，位移量得到控制，并趨于穩(wěn)定。通過半年多觀測(cè)，2201軌道巷及鉆場(chǎng)頂幫無明顯變化。本次試驗(yàn)對(duì)今后施工鉆場(chǎng)全錨支護(hù)效果具有重要的借鑒意義。