动压巷道围岩变形规律及控制技术

2020-04-08 07:05蔡福洋
中国矿山工程 2020年1期
关键词:动压顶板围岩

蔡福洋

(同煤集团, 山西 大同 037000)

1 前言

随着煤炭资源的逐渐枯竭和矿井机械化开采水平的提高,相邻工作面回采完后采空区还未完全稳定,就进行下工作面回采巷道掘进[1-4]。在该条件下巷道掘进受采空区动压影响围岩变形量大,常用的锚网索支护已经不能保证巷道的稳定性[5-6]。本文以同忻煤矿动压巷道为工程背景,对动压巷道围岩变形规律进行分析,根据围岩变形特征研究合理的支护形式,提高动压巷道稳定性,避免出现巷道围岩大变形而导致的安全事故。

2 工作面概况

同忻煤矿8309工作面位于一水平三盘区,工作面走向长度为2 770m,倾斜长度为218m。工作面主采煤层为3- 5号煤层,煤层平均厚度15.5m,平均倾角4°。工作面临近已回采完毕的8307工作面,工作面之间留设宽度38m煤柱。5309巷道为8309工作面回风巷,该巷道受本回采工作面超前支承压力及邻近8307工作面采空区侧向压力影响,巷道围岩出现较大的变形破坏。根据矿井变形量监测可知,顶板下沉量为0.4~0.8m、底鼓量为0.2~0.7m、两帮移近量为0.3~0.7m。

3 动压巷道围岩变形规律数值模拟

3.1 应力变化规律

采用FLAC3D数值模拟8307工作面采动对5309巷围岩变形的影响,建立200m×200m×100m模型。根据5309巷地质条件,确定模型各材料参数,力学参数见表1。垂直方向施加应力5.8MPa,水平测压系数取值为0.8。

表1 模型各岩层力学参数

沿着5309巷走向布置测点,得到巷道垂直应力变化如图1所示。

-为巷道在工作面前方;+为巷道在工作面后方图1 5309巷垂直应力分布图

由图1可知,-100~-30m区域,5309巷垂直应力稳定在11MPa左右,此时巷道处于稳定状态,基本不受8307工作面回采动压影响。当5309巷端头距8307工作面-30m位置时,巷道垂直应力突然升高,巷道开始受8307工作面动压影响。-30m~80m区域,5309巷受垂直应力呈现先增大后减小的区域,此区域巷道受动压影响严重,围岩变形量大。其中,60m处为5309巷垂直应力峰值位置。80m后,巷道应力逐渐趋于平稳。

将5309巷工作面距8307工作面-30m和60m两处位置应力进行分析比较,得到巷道应力变化规律。其中,-30m和60m两位置应力分布如图2所示。

图2 -30m与60m位置垂直应力分布云图

由图2可知,5309巷在8307工作面后方60m处垂直应力比在前方30m处更大,由此可知,巷道应力集中主要发生在工作面后方。同时,5309巷受相邻8307工作面采动影响,出现应力集中现象,顶底板应力呈“拱形”分布。

3.2 围岩变形规律

采用FLAC3D模式时在5309巷顶底板和两帮设置监测点,监测相邻8307工作面动压对5309巷围岩变形量影响,得到巷道围岩变形量如图3所示。

图3 5309巷围岩变形量

由图3可知,5309巷围岩变形量从-30m处开始增加,表明该位置巷道受相邻8307工作面采动影响,-30~15m区域巷道围岩变形量基本增加了1倍。5309巷处于8307工作面后方时,巷道围岩变形量更大。0~60m区域5309巷道围岩变形量大、变形速率快,占总变形量70%~80%,对5309巷围岩总变形取决定性作用。60~80m区域,巷道围岩变形量逐渐放缓,80m后趋于稳定状态。

4 动压巷道围岩控制技术

根据数值模拟结果可知,5309巷围岩变形破坏主要集中在-30~80m区域,该区域巷道受动压影响围岩变形量大,应当加强支护,提高巷道稳定性。其余区域采用一般的支护技术措施即可。

4.1 -30~80m区域

1)锚网索支护

-30~80m区域5309巷围岩变形量大,采用锚网索对巷道加强支护,提高巷道稳定性,巷道顶板和两帮均采用高强度大延伸率锚杆,锚网索支护参数见表2。

表2 -30~80m区域锚网索支护参数

2)卸压槽卸压

5309巷开挖卸压槽可以使得底板的应力向卸压槽深度转移,从而避免巷道底板形成应力集中区。沿着工作面两巷走向开挖宽0.5m,深1.5m的卸压槽,巷道掘进完毕后,需要采用矸石等及时对卸压槽进行回填,避免影响行人、运输货物的安全。

4.2 一般区域

-30~80m是5309巷围岩变形量最大区域,占总变形量的70%~80%,而5309巷其他区域受动压影响小,虽然巷道围岩也出现了一定的变形,但变形量小。一般区域巷道同样采用锚网索支护,保证巷道稳定,锚网索参数见表3。

表3 一般区域锚网索支护参数

5309巷锚杆之间采用φ14mm的圆钢焊制的钢筋梯子梁连接而成,进一步提高了巷道顶板的支护强度。

为了提高5309巷掘进稳定性,在巷道超前8307工作面30m处暂停掘进,待工作面超前巷道80m后继续恢复掘进,以此减小巷道围岩变形量。

5 支护效果检验

5309巷道采用锚网索支护、开挖卸压槽卸压后,通过设置监测点监测巷道围岩变形量,验证巷道支护效果。5309巷围岩变形量如图4所示。

图4 5309巷围岩变形量

由图4可知,5309巷道采用锚网索支护,巷道围岩变形量呈现先增加后逐渐稳定的趋势。0~20d巷道顶板和两帮变形速率快、变形量大,顶板最大下沉量为46mm,最大移动速率为2.6mm/d;两帮最大移近量围77mm,最大移动速率为4.5mm/d。20d后巷道围岩变形放缓并逐渐趋于稳定。巷道最大顶板下沉量为52mm,两帮最大移近量为93mm。由此可知,支护取得了良好效果,有效减小了5309巷围岩变形量。

6 结论

(1)以5309动压巷道为研究对象,采用FLAC3D模拟8307工作面采动对5309巷围岩变形的影响。通过分析巷道垂直应力和围岩变形,得到5309巷围岩变形破坏主要集中在超前工作面30m和滞后工作面80m范围内,占总变形量70%~80%。

(2)根据5309巷围岩变形规律,提出分段采取支护措施。在超前工作面30m和滞后工作面80m范围,巷道采用锚网索支护、开挖卸压槽卸压;其他一般区域,巷道采用锚网索支护,并分别设计了支护参数。

(3)通过在5309巷设置监测点,监测巷道围岩变形量验证支护效果。根据监测结果可知,巷道最大顶板下沉量为52mm,两帮最大移近量为93mm,支护取得了良好效果。

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