趙瑞卿

(山西寧武德盛煤業(yè)有限公司, 山西 忻州 036700)

1 工程概況

德盛煤業(yè)主采2號(hào)、5號(hào)煤層,煤層平均厚度為6.15 m、15.2 m,屬厚煤層,煤層傾角3～5°,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,有不穩(wěn)定夾石帶出現(xiàn),整體起伏變化不大,煤層類型屬光亮型。煤層頂板以泥巖和粉砂巖為主;底板以粉砂巖和細(xì)砂巖為主。

目前正在掘進(jìn)20108工作面運(yùn)輸巷,主要用于201采區(qū)20108工作面回采時(shí)的通風(fēng)、運(yùn)輸、行人及管路敷設(shè)。20108工作面位于礦區(qū)西部一水平二采區(qū),北部為20107工作面,南部為礦界保護(hù)煤柱,西部為礦井礦界保護(hù)煤柱,東部為201采區(qū)集中運(yùn)輸下山保護(hù)煤柱。20108運(yùn)輸巷沿2號(hào)煤層底板掘進(jìn),巷道方位角270°,設(shè)計(jì)為矩形斷面,凈寬×凈高=5 200 mm×4 600 mm,巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 350 m.

地質(zhì)勘探結(jié)果顯示,靠近20108運(yùn)輸巷側(cè)存在過去以掘代采或巷柱式采煤法開采區(qū)域,采空區(qū)可能有一定量的瓦斯和二氧化碳等氣體聚集,采空區(qū)有一定量的積水,局部地區(qū)還可能存在冒落風(fēng)險(xiǎn)。

2 圍巖松動(dòng)圈測(cè)試

20108運(yùn)輸巷為全煤巷,且煤體強(qiáng)度較低,加之側(cè)方空巷的影響,巷道掘進(jìn)后圍巖變形破壞嚴(yán)重,部分區(qū)域的錨桿、錨索失效,局部頂板甚至出現(xiàn)冒落的現(xiàn)象。因此,需對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

為合理地設(shè)計(jì)支護(hù)方案,先采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)巷道圍巖的破壞情況進(jìn)行探測(cè),分析其圍巖松動(dòng)圈。頂?shù)装寮皟蓭偷奶綔y(cè)剖面如圖1所示。

圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果表明:巷道左幫的破壞松動(dòng)范圍為2.0～2.6 m,局部區(qū)域松動(dòng)范圍達(dá)到了3～5 m;巷道右?guī)偷钠茐乃蓜?dòng)范圍為1.7～2.2 m,局部區(qū)域松動(dòng)范圍達(dá)到了5 m左右;巷道頂板的破壞松動(dòng)范圍為2.0～2.3 m,局部區(qū)域松動(dòng)范圍達(dá)到了5 m左右;巷道底板的破壞松動(dòng)范圍為1.9～2.7 m,局部區(qū)域松動(dòng)范圍達(dá)到了4～5 m.總體來看,20108運(yùn)輸巷的圍巖松動(dòng)破壞范圍較大,在1.7～2.7 m之間,變形較大的區(qū)域可達(dá)4～5 m.由于原支護(hù)參數(shù)不合理,無法有效控制圍巖的變形破壞,導(dǎo)致全煤巷道頂板下沉及底鼓破壞嚴(yán)重。

3 全煤巷破碎圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)20108運(yùn)輸巷圍巖松動(dòng)圈測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件,提出“全斷面錨索噴初次支護(hù)+全斷面錨注”的聯(lián)合支護(hù)方案,聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

初次支護(hù)主要參數(shù)如下:頂板錨索長(zhǎng)度8 400 mm,直徑22 mm,間距1 200 mm,排距1 000 mm;幫部施工D22 mm×3 500 mm的錨桿,間距900 mm,排距1 000 mm;幫錨索與頂錨索規(guī)格相同,排距為1 000 mm.

二次錨索、注漿加固參數(shù)如下:全斷面施工預(yù)應(yīng)力錨索,規(guī)格同上,排距為2 000 mm,與初次錨索支護(hù)間隔布置;淺孔注漿,漿液的水灰質(zhì)量比為0.8～1.0,采用直徑26 mm的注漿管,管長(zhǎng)1 000 mm,鉆孔深度為2 500 mm,在兩幫各施工3組注漿淺孔,排距為2 000 mm,采用低壓(≤2 MPa)進(jìn)行注漿;深孔注漿,注漿管規(guī)格與淺孔相同,孔深為5 000 mm,漿液的水灰質(zhì)量比為0.5～0.6,采用高壓(3～5 MPa)進(jìn)行注漿。

底板錨注加固參數(shù)如下:底板采用自鉆中空注漿錨桿進(jìn)行加固,桿體直徑25 mm,中空孔徑10 mm,長(zhǎng)度2 000 mm,間排距均為1 000 mm,其注漿材料參數(shù)與注漿壓力與低壓淺孔注漿相同。

3.2 支護(hù)方案模擬分析

1) 建立模型。為分析不同支護(hù)方案對(duì)圍壓的控制效果,根據(jù)20108運(yùn)輸巷實(shí)際賦存條件,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型,模型長(zhǎng)×寬×高=50 m×50 m×50 m,模型頂部施加垂直應(yīng)力模擬覆巖壓力,模型四周及底部施加位移約束。模擬中的巖體破壞準(zhǔn)則為摩爾-庫倫準(zhǔn)則,煤巖體參數(shù)見表1,支護(hù)構(gòu)件參數(shù)見表2,支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

表2 支護(hù)構(gòu)件物理力學(xué)參數(shù)

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

2) 模擬方案及模擬結(jié)果。為確定合理的支護(hù)參數(shù),本次模擬共設(shè)置6組支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比分析,分別如下:①方案1:巷道開挖后不進(jìn)行任何支護(hù);②方案2:巷道采用錨索及噴混凝土支護(hù);③方案3:錨索及噴混凝土初次支護(hù)+二次錨索支護(hù);④方案4:錨索及噴混凝土初次支護(hù)+二次錨索支護(hù)+淺孔低壓注漿加固;⑤方案5:錨索及噴混凝土初次支護(hù)+二次錨索支護(hù)+淺孔低壓注漿加固+底板錨注加固;⑥方案6:錨索及噴混凝土初次支護(hù)+二次錨索支護(hù)+淺孔低壓注漿加固+底板錨注加固+深孔高壓注漿加固。

各方案下巷道塑性破壞區(qū)深度及圍巖變形量具體數(shù)據(jù)見表3.

表3 不同方案下巷道圍巖塑性區(qū)范圍及位移情況

由模擬結(jié)果可知,隨著巷道支護(hù)強(qiáng)度的提高,圍巖的塑性破壞深度及位移變形量逐漸減小。巷道無支護(hù)時(shí)(方案1),巷道頂板下沉量達(dá)到了477.61 mm,巷幫變形量達(dá)到了688.23 mm,圍巖的塑性破壞深度平均超過了3 m;采用“錨噴+預(yù)應(yīng)力錨索二次支護(hù)”(方案3)后,巷道圍巖變形量及塑性破壞范圍均有所降低,其中,頂板下沉量降低至277.66 mm,巷幫變形量降低至492.61 mm,圍巖平均塑性破壞深度降低至2.53 m;而采用“錨噴+二次錨索支護(hù)+淺孔低壓注漿加固+底板錨注加固+深孔高壓注漿加固”的聯(lián)合支護(hù)后,巷道圍巖變形量及塑性破壞深度大幅度降低,其中頂板下沉量降低至60.46 mm,底鼓量降低至39.27 mm,巷幫變形量降低至69.25 mm,圍巖平均塑性破壞深度僅為0.62 mm.說明,采用全斷面錨注加固方案后,可有效控制軟弱全煤巷道維護(hù)困難的問題,因此確定采用方案6對(duì)20108運(yùn)輸巷進(jìn)行加固支護(hù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證全斷面錨注加固方案的適用性,在20108運(yùn)輸巷進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn),并布置了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)圍巖頂板及兩幫的變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)共計(jì)100 d,監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖4可知,巷道的變形主要以巷幫為主,頂板的變形幅度較小,其中,頂板的變形基本在70 d后逐漸趨于穩(wěn)定,累計(jì)變形量為15 mm;巷幫的變形在90 d后逐漸趨于穩(wěn)定,累計(jì)變形量為55 mm.另外,在生產(chǎn)過程中,底板未出現(xiàn)大量底鼓的現(xiàn)象,整體穩(wěn)定性較高,保證了礦井的安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié) 語

1) 對(duì)20108運(yùn)輸巷進(jìn)行了圍巖松動(dòng)圈測(cè)試,結(jié)果表明:圍巖松動(dòng)破壞范圍較大,基本在1.7～2.7 m,變形較大的區(qū)域達(dá)到了4～5 m,變形破壞較為嚴(yán)重。

2) 通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)比分析了不同支護(hù)方案下的巷道圍巖塑性破壞及變形情況,確定出合理的支護(hù)方案為“錨噴+二次錨索支護(hù)+淺孔低壓注漿加固+底板錨注加固+深孔高壓注漿加固”。

3) 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明,采用全斷面錨注加固方案后,巷道頂板累計(jì)變形量為15 mm,巷幫累計(jì)變形量為55 mm,整體變形量小,巷道穩(wěn)定性較好。