徐紅剛

(山西潞安化工集團(tuán)有限公司 古城煤礦，山西 長(zhǎng)治 046100)

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭始終占據(jù)我國(guó)一次能源生產(chǎn)、消費(fèi)領(lǐng)域的主導(dǎo)地位[1]，隨著開(kāi)采強(qiáng)度以及開(kāi)采深度的逐年增加，為提高資源的回采率，礦井常采用沿空掘巷的方式進(jìn)行巷道布置[2-3]。隨著開(kāi)采采深的增加，深部煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)力分布以及動(dòng)力顯現(xiàn)特征相較于淺部資源表現(xiàn)出明顯的差異，表現(xiàn)為采掘空間動(dòng)壓顯現(xiàn)頻繁且由于高靜壓以及動(dòng)壓擾動(dòng)，沿空巷道失穩(wěn)變形嚴(yán)重，圍巖穩(wěn)定及控制問(wèn)題尤為突出[4-8]。

巷道作為礦井生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ?，承?dān)通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)，若變形嚴(yán)重，動(dòng)壓顯現(xiàn)頻繁，將對(duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅[9]。古城煤礦主采煤層為3號(hào)煤層，在淺部開(kāi)采時(shí)礦井工作面回采巷道，采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方式，巷道變形量以及動(dòng)力顯現(xiàn)均較少，支護(hù)效果良好。隨著下部工作面開(kāi)采，由于采深的增加以及臨近上側(cè)采空區(qū)，受采空區(qū)頂部支承壓力的影響，回采巷道在開(kāi)掘之初，鉆場(chǎng)以及巷道變形量大，原有支護(hù)方式以及支護(hù)參數(shù)不能滿足巷道的行人生產(chǎn)要求，在此情況下，亟需地質(zhì)以及開(kāi)采角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而構(gòu)建確立一個(gè)支護(hù)效果良好的支護(hù)方案，為本礦井深部臨空巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

古城煤礦1306工作面主采3號(hào)煤層，1306工作面回風(fēng)巷道布置在3號(hào)煤層中，施工時(shí)已揭露該煤層。3號(hào)煤層埋深為520～642 m，煤層厚度3.35～9.75 m，平均厚6.5 m，工作面采煤高度3.8 m，放煤高度2.70 m，采放比為1∶0.71.煤層傾角1～10°，平均傾角為5°.煤層直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度約3.85 m，基本底是厚度為5.24～10.23 m的細(xì)粒砂巖，以石英為主，單軸抗壓強(qiáng)度為23.85 MPa.直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為8.56 m，深灰色，含有完整植物化石；基本頂則以中粒砂巖以及細(xì)粒砂巖為主，厚度13.46 m左右。

1306工作面回風(fēng)巷道臨近1305工作面采空區(qū)，工作面回風(fēng)巷道為矩形斷面，寬度5.20 m，高度3.80 m，掘進(jìn)斷面19.76 m2.

2 工作面巷道圍巖穩(wěn)定性分析

研究表明[10-13]，矩形巷道圍巖松動(dòng)圈計(jì)算方法可類(lèi)比等效圓形巷道進(jìn)行近似計(jì)算，根據(jù)彈性力學(xué)及Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，在靜水壓力作用下，圓孔周?chē)鷱椥詤^(qū)以及塑性區(qū)徑向應(yīng)力(σr)以及切向應(yīng)力(σθ)分別如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

由圍巖彈、塑性區(qū)相等條件，聯(lián)立上式可得圓孔周?chē)苄詤^(qū)半徑R：

選取我院2017年1月—2018年1月收治的30例黃疸型病毒性肝炎患者為研究對(duì)象，隨機(jī)分為觀察組與對(duì)照組，各15例。觀察組男性8例，女性7例，年齡30～65歲，平均年齡（42.5±3.5）歲；對(duì)照組年齡31～66歲，平均年齡（43.0±3.5）歲；所有患者均已通過(guò)相關(guān)檢測(cè)，符合黃疸型病毒性肝炎診斷標(biāo)準(zhǔn)，排除其他傳染性疾病，經(jīng)我院倫理委員會(huì)同意，簽署知情同意書(shū)，其性別、年齡、基礎(chǔ)疾病等一般資料經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析均差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P＞0.05，有可比性。

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：g為矩形巷道高度，m；h為矩形巷道寬度，m；R1為矩形巷道頂板松動(dòng)圈半徑，m；R2為矩形巷道兩幫松動(dòng)圈半徑，m.

代入1306工作面回風(fēng)巷參數(shù)，p0=13.00 MPa；C=3.2 MPa；φ=35 ° .需要說(shuō)明，由于該工作面巷道為矩形斷面，在此采用等效近似法由工作面高度以及寬度g=3.8 m,h=3.8 m，計(jì)算可得,1306工作面等效圓形巷道半徑為R0=3.22 m，巷道塑性區(qū)半徑R=3.83 m，矩形巷道頂板松動(dòng)圈影響范圍R1=1.93 m，兩幫松動(dòng)圈影響范圍R2=1.23 m.

首先通過(guò)向巷道兩幫以及頂板垂直施工孔深為2～3 m、孔徑為42 mm的鉆孔，其次通過(guò)鉆孔窺視儀對(duì)巷道圍巖兩幫以及頂板進(jìn)行窺視。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得出，巷道頂板及兩幫松動(dòng)圈影響范圍分別為2.33 m、1.56 m，與理論計(jì)算值相近。根據(jù)松動(dòng)圈圍巖分級(jí)支護(hù)理論[14]，1306工作面回風(fēng)巷屬于Ⅱ、Ⅳ類(lèi)中等穩(wěn)定和不穩(wěn)定巷道，應(yīng)采用錨桿、鋼帶、錨網(wǎng)以及錨索聯(lián)合支護(hù)。綜上所述，3號(hào)煤層巷道按照圍巖松動(dòng)圈理論分類(lèi)為中等穩(wěn)定巷道-不穩(wěn)定巷道。

3 支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬

3.1 模型建立及方案

通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)1306工作面回風(fēng)巷采用不同支護(hù)參數(shù)情況下巷道應(yīng)力分布及變形進(jìn)行數(shù)值模擬，研究支護(hù)參數(shù)對(duì)于巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，并確定1306工作面回風(fēng)巷支護(hù)參數(shù)，采用FLAC3D建立三維計(jì)算模型，模型尺寸為100 mm×50 mm×130 mm，根據(jù)工作面埋深，在模型頂部施加10.5 MPa垂直方向應(yīng)力，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為煤巖體破裂屈服判據(jù)。根據(jù)礦井地質(zhì)資料以及煤巖體物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果，模型物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 模型巖體力學(xué)參數(shù)

首先模擬臨近1305工作面開(kāi)采，待開(kāi)采完畢，模型應(yīng)力平衡后，對(duì)1306工作面回風(fēng)巷道進(jìn)行掘進(jìn)，并采用錨桿、錨網(wǎng)、錨索以及鋼帶進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，記錄分析支護(hù)后巷道周?chē)鷳?yīng)力分布情況以及變形情況，對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

如圖1所示,巷道圍巖均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力增量主要集中于頂板以及兩幫，存在沿某一應(yīng)力主方向貫穿巷道分布的特征。

圖1 不同支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖應(yīng)力分布圖

隨著巷道錨桿間排距的減小，當(dāng)錨桿間排距采用800 mm×800 mm布置時(shí)，巷道頂板以及兩幫應(yīng)力集中區(qū)域面積明顯減少，且應(yīng)力峰值相較于前者存在明顯下降趨勢(shì)，峰值應(yīng)力為20.31 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.55，巷道圍巖應(yīng)力呈“蝶形”分布特征，在巷道右上側(cè)以及左下側(cè)呈對(duì)稱分布，在巷道右?guī)腿杂袘?yīng)力疊加影響區(qū)域。而當(dāng)錨桿間排距采用600 mm×600 mm布置時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)域明顯減少，應(yīng)力峰值僅為17.64 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.35，相較于前者應(yīng)力顯著降低。

不同支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖位移分布圖如圖2所示。巷道圍巖在頂、底板兩幫均出現(xiàn)明顯變形位移情況，呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：首先巷道頂板位移量大于兩幫，即頂板穩(wěn)定性是回風(fēng)巷穩(wěn)定性的關(guān)鍵；其次巷道上部的位移量大于巷道下部的位移量，位移量整體呈倒梯形分布，隨著巷道支護(hù)參數(shù)的提高，巷道位移分布規(guī)律基本類(lèi)似。

圖2 不同支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖位移分布圖

巷道錨桿采用1 000 mm×1 000 mm間排距布置情況下，巷道頂板最大位移量達(dá)915 mm，且最大位移處于巷道中央，支護(hù)效果較差，在兩幫上側(cè)臨近巷道角部，存在兩處對(duì)稱分布位移量較大區(qū)域，巷道底板也存在此種分布特點(diǎn)。隨著錨桿支護(hù)間排距的縮小，當(dāng)間排距為800 mm×800 mm時(shí)，巷道頂板位移量明顯減少，僅在頂部巷道壁處存在少量位移量較大區(qū)域，巷道圍巖整體位移量較小，平均位移為453 mm.當(dāng)支護(hù)密度為600 mm×600 mm時(shí)，變形仍集中于巷道頂板中央處，巷道兩幫以及底板位移量顯著減少，巷道兩幫位移量為153 mm，頂板位移量為220 mm，圍巖僅在巷道頂角部存在少量移進(jìn)現(xiàn)象。即隨著巷道支護(hù)密度的增加，巷道圍巖變形量減少，圍巖穩(wěn)定性提高，從非穩(wěn)定逐漸轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定巷道。

綜上所述，對(duì)比分析不同參數(shù)下，巷道圍巖應(yīng)力以及位移分布規(guī)律，得出1306工作面巷道錨桿間排距采用600 mm×600 mm布置時(shí)，從應(yīng)力以及變形角度，均可以滿足巷道圍巖穩(wěn)定性控制，從安全角度考慮應(yīng)選取此種支護(hù)參數(shù)對(duì)1306工作面回風(fēng)巷進(jìn)行支護(hù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)1306工作面回風(fēng)巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，采用布置測(cè)點(diǎn)的方式對(duì)掘進(jìn)期間圍巖變形量進(jìn)行觀測(cè)。巷道掘進(jìn)期間圍巖位移參數(shù)如圖3所示。巷道掘進(jìn)期間，巷道頂板、左幫、右?guī)屠塾?jì)變形量分別為272.36 mm、124.00 mm、196.5 mm，經(jīng)過(guò)對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，巷道變形量相對(duì)較小，圍巖穩(wěn)定性較好。

圖3 巷道掘進(jìn)期間圍巖位移圖

巷道回采期間圍巖位移參數(shù)如圖4所示。在距離工作面0～42 m范圍內(nèi)，每間隔2 m對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行觀測(cè)后可知，頂板位移量明顯高于巷道兩幫，巷道最大變形量為40 mm，距離工作面0 m后，巷道變形量逐漸趨近于穩(wěn)定。由此可知，采用此種支護(hù)形式以及支護(hù)參數(shù)，工作面回風(fēng)巷道圍巖穩(wěn)定。

圖4 工作面回采期間圍巖位移圖

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 對(duì)古城煤礦1306工作面回風(fēng)巷道圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行計(jì)算，得出巷道頂板、兩幫圍巖松動(dòng)圈距離分別為1.93 m和1.23 m，巷道圍巖穩(wěn)固性等級(jí)為中等穩(wěn)定巷道-不穩(wěn)定巷道，并確定巷道應(yīng)采用端錨或全錨形式，配合鋼帶、錨網(wǎng)索進(jìn)行支護(hù)。

2) 通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)回風(fēng)巷道采用600 mm×600 mm、800 mm×800 mm與1 000 mm×1 000 mm間排距布置情況下，巷道圍巖應(yīng)力及變形進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，巷道錨桿采用600 mm×600 mm時(shí)巷道應(yīng)力集中程度低，且圍巖變形量較小。

3) 根據(jù)掘進(jìn)以及回采期間巷道圍巖變形量實(shí)測(cè)結(jié)果，在巷道掘進(jìn)期間，頂板、左幫、右?guī)屠塾?jì)變形量分別為272.36 mm、124.00 mm、196.5 mm，回采期間巷道單日最大變形量為40 mm.