張付平
(山西蘭花集團莒山煤礦有限公司, 山西 晉城 048027)
回采巷道是綜采工作面生產(chǎn)、運輸及通風(fēng)的重要通道,對工作面安全生產(chǎn)局域重要意義。工作面附近超前段一定區(qū)域巷道圍巖應(yīng)力復(fù)雜,受采動影響大,容易發(fā)生變形破壞,因此應(yīng)對該區(qū)域進(jìn)行加強支護(hù)。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,巷道超前支護(hù)長度不低于20 m。本文以莒山礦3 號煤層3007 工作面回風(fēng)順槽為工程背景,對順槽超前支護(hù)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析,確定了合理的超前支護(hù)強度。
3007 回風(fēng)順槽位于3007 綜采工作面北部,巷道設(shè)計為矩形斷面,掘進(jìn)寬度為3.2 m,掘進(jìn)高度為2.6 m,凈寬3.0 m,凈高2.4 m,巷道上部為泥巖及砂質(zhì)泥巖,平均厚度為9.27 m,巷道底板為黑色泥巖,平均厚度為3.07 m。巷道原始支護(hù)方案為錨桿及錨索聯(lián)合支護(hù),頂板及兩幫錨桿規(guī)格均為Φ22 mm×1 800 mm,頂板間排距為900 mm×900 mm,兩幫間排距為900 mm×800 mm;巷道頂板中部布置1 根Φ17.8 mm×5 300 mm 的錨索,排距為1 800 mm。巷道錨桿支護(hù)斷面如圖1 所示。
通過現(xiàn)場監(jiān)測回復(fù)順槽內(nèi)超前立柱應(yīng)力與工作面變化關(guān)系曲線,由圖2 可知,在工作面附近立柱應(yīng)力約為26 MPa,應(yīng)力峰值位于工作面前方9 m 處,最大應(yīng)力為31.5 MPa,隨著遠(yuǎn)離工作面立柱應(yīng)力逐漸減小,在工作面前方約27 m 時應(yīng)力處于基本穩(wěn)定狀態(tài),約為22.5 MPa。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》及實際監(jiān)測綜合考慮,取超前支護(hù)范圍為工作面前方30 m[1-2]。
圖1 巷道錨桿支護(hù)斷面(單位:mm)
圖2 超前應(yīng)力曲線
巷道在掘進(jìn)之前,巖層處于穩(wěn)定平衡狀態(tài),隨成巷后上覆巖層應(yīng)力會發(fā)生重新分布,在巷道頂板上部一定區(qū)域內(nèi)會形成相對穩(wěn)定的平衡拱,根據(jù)自然平衡拱理論,超前支護(hù)強度不小于成拱高度范圍內(nèi)巖層自重[6-8]。
式中:a 為自然平衡拱的最大跨度,可按式(2)計算,f為掘進(jìn)影響后圍巖硬度系數(shù),根據(jù)測量取1.75。
式中:c 為二分之一巷寬,1.6 m;H 為巷高,2.6 m;φ為內(nèi)摩擦角,28°。
巷道頂板應(yīng)力如下式所示:
式中:K1為上一工作面回采后采空區(qū)側(cè)向參與影響系數(shù),取1.7;K2為3007 工作面回采期間采動影響系數(shù),取1.8; 將各參數(shù)代入計算得q=134.64 kPa。綜合考慮,確定超前支護(hù)參數(shù)為135 kPa。
圖3 巷道圍巖力學(xué)模型
為驗證超前支護(hù)強度的合理性,采用FLAC-3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析,根據(jù)實際開采地質(zhì)條件建立數(shù)值計算模型,模型長300 m,寬250 m,底部限制垂直位移,四周限制水平位移,模型頂部上覆巖層用均布載荷,模擬過程中巷道超前支護(hù)強度通過對頂板施加0.125 MPa 的面力予以模擬。模型物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。
圖4 為數(shù)值模擬所得3007 回風(fēng)順槽位移云圖,有圖可知巷道頂板最大位移為22.35 mm,位于巷道頂板中部,兩幫最大位移為17.5 mm,位于巷道幫部靠近頂板位置,巷道圍巖變形量較小,均在可控范圍內(nèi),表明超前支護(hù)強度設(shè)計合理,可以滿足3007 回風(fēng)順槽超前支護(hù)要求[3-5]。
結(jié)合莒山礦3007 綜采工作面回風(fēng)順槽實際工程地質(zhì)條件,采用現(xiàn)場實測分析巷道超前支撐應(yīng)力分布規(guī)律,在此基礎(chǔ)上通過理論分析確定巷道超前支護(hù)參數(shù),并通過數(shù)值模擬進(jìn)行驗證性研究,為后續(xù)支護(hù)超前支架的采購和選型提供參考。
表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)
圖4 巷道圍巖位移云圖