郝 凯
(霍州煤电集团有限责任公司辛置煤矿,山西 霍州 031400)
短期内,我国“少油少气富煤”的能源现状不会发生改变。因此,煤炭在我国能源结构中依旧占据主导地位[1]。但随着煤炭资源的不断回采,矿井面临的地质条件愈加复杂,巷道围岩的控制成为难点之一。目前,对于复杂地质条件下巷道围岩的控制已经有了很多研究,且在大断面巷道、大变形巷道以及大采深矿井巷道围岩控制等方面取得了较大进展[2-5]。但对于多次采动影响下巷道围岩控制方面的研究却较少,本文针对这一问题,利用数值模拟方法对巷道的受力特征进行了初步探讨,通过改进支护方式有效控制围岩的变形,实际应用取得了良好的效果。
辛置煤矿目前主要回采2#煤层,1209 工作面正在回采期间,工作面走向长1 200 m,倾向长280 m,工作面西面与1211 采空区相邻,东面为正在回采的1206 工作面,北侧为1209 材料斜巷,南侧巷道分别为1209 回风大巷以及采区的轨道大巷。在1211 采空区以及1206 工作面采动压力共同影响下,导致1209 材料斜巷围岩变形严重,多次出现前面掘进后面维修的情况,急需对1209 材料斜巷进行加强支护,确保回采和掘进工作的顺利进行。
1209 材料斜巷原支护方案如下:
(1)顶板锚杆(直径20 mm、长度2 300 mm)间排距为900 mm×900 mm,均与巷道顶板呈垂直布置;同时配合单体锚索(直径21.6 mm、长度8 300 mm)进行支护;
(2)巷道两帮采用直径20 mm、长度1 650 mm的左旋螺纹钢锚杆进行支护,锚杆间排距为800 mm×800 mm,靠近巷道顶板锚杆的施工角度为20°,靠近巷道底板锚杆的施工角度为10°。
正在掘进的1209 材料斜巷,因围岩强度整体较低,在多次采动影响下巷道围岩的变形严重,需改进支护。考虑到地质条件的复杂性,现场围岩监测难度大,拟通过FLAC3D数值模拟软件分析探讨该巷道的受力特征。
根据巷道现场地质资料,建立长500 m,宽400 m,高290 m 的模型;其中,材料斜巷长500 m,宽4.2 m,高3 m;数值模拟中岩层物理力学参数如表1所示,模型共设置1 602 514 个单元,1 725 414 个节点。
表1 数值模拟岩层物理力学参数
模拟主要分析1209 材料斜巷的受力特征,记录与1211 采空区不同距离下巷道中点的垂直应力和水平应力变化规律,如图1所示。从图1看,在1206 及1209 工作面开采以及1211 采空区的影响下,垂直应力曲线呈现先降低后升高然后降低的趋势,在1211 采空区煤柱侧6 m 的位置,垂直应力值从17.7 MPa 降低至8.77 MPa;在1211采空区煤柱侧18 m 的位置,垂直应力值达到峰值29.9 MPa,距离采空区煤柱36 m 的位置垂直应力值稳定在19.1 MPa;水平应力曲线呈现先降低后升高然后降低的趋势,其变化规律与垂直应力曲线变化规律不同的是水平应力值较低,在1211采空区煤柱侧6 m 的位置,垂直应力值从13.7 MPa降低至8.2 MPa; 在1211 采空区煤柱侧18 m 的位置,垂直应力值达到峰值25.2 MPa,距离采空区煤柱36 m 的位置垂直应力值稳定在16.3 MPa。
图1 1209 材料斜巷应力变化曲线
上述分析表明,在1211 采空区煤柱侧9~36 m的位置,1209 材料斜巷处于高应力区,在采空区煤柱侧18 m 位置时,巷道水平应力及垂直应力值均达到最大;整体而言,高应力是造成巷道围岩变形大的主要原因;在高应力区域需改进支护方式,以提高围岩抵抗变形的能力,维持巷道的稳定性。
根据数值模拟结果,针对1209 材料斜巷,对其支护方案作如下改进:
1)巷道顶部采用直径22 mm,长2 500 mm的左旋螺纹钢锚杆进行支护,锚杆的间距和排距均为800 mm,每排布置4 根锚杆,靠近巷道帮部的锚杆与巷道垂直线呈15°; 同时采用直径为21.6 mm,长度8 300 mm 的单体锚索,锚索间距1.6 m,锚索配合树脂药卷和高强度预应力进行施工,确保锚索的预紧力大于200 kN。
2)巷道两帮采用锚杆配合槽钢锚索支护的方式进行支护,即采用直径20 mm、长度1 650 mm的左旋螺纹钢锚杆,每根锚杆需配合使用三个树脂药卷进行锚固,锚杆之间的间距和排距均为800 mm,确保锚杆提供的预紧力大于200 kN。在施工过程中,靠近巷道顶板锚杆的施工角度为20°,靠近巷道底板锚杆的施工角度为10°。
3)考虑到巷道水平受力较大,在实际支护过程中也出现过巷道两帮位移较大的情况,采用槽钢锚索进行进一步的加强支护,用直径21.6 mm、长度5 300 mm 的锚索固定槽钢,两根锚索的间距为1 600 mm,上位锚索与巷道水平线呈20°,距离顶板1 m,下位锚索与巷道水平线呈-10°,距离底板0.6 m。
为了验证支护方案的有效性,对支护段内的巷道围岩变形进行为期60 天的监测,变形数据如图2所示。从图2看,顶板变形量最大,其次是两帮收敛量,变形量最小的是底板鼓起量。
图2 巷道围岩变形监测曲线
1)巷道顶板:在监测的前20 天内,顶板变形量呈线性增长的趋势;在20~40 天内,顶板变形速率增加,从20 天的24 mm 增长至100 mm;40 天以后的,顶板变形量缓慢增长,最终稳定在111 mm;顶板变形主要分为三个阶段,0~20 天内变形速率较快,20~40 天内变形速率最快,40~60天内变形速率较慢,最终趋于稳定值。
2)巷道两帮:主要分为两个阶段,监测时间在0~42 天范围内时,两帮收敛量稳定增加,42~60天范围内,两帮收敛量缓慢增加,最终稳定在63 mm。
3)巷道底板:主要分为两个阶段,监测时间在0~45 天范围内时,两帮收敛量稳定增加,45~60天范围内,两帮收敛量缓慢增加,最终稳定在44 mm。
综上可知,处于高应力区域的1209 材料斜巷因为受力的不均匀,导致巷道顶板、两帮以及底板的变形量不同,高应力区域及上覆围岩重力的共同作用致使顶板变形量最大,高应力区域的较大水平应力使得两帮收敛量较大; 但改进支护后,围岩抵抗变形的能力增强,巷道处于稳定状态,证明该支护方案合理、可靠。
1)通过数值模拟分析,在1211 采空区煤柱侧9~36 m 范围是巷道的高应力区域,18 m 位置时垂直应力和水平应力值均达到峰值。
2)巷道顶板采用锚杆锚索支护,两帮采用锚杆配合槽钢锚索支护; 需严格施工保证锚杆锚索提供有效预紧力。
3)应用表明,该支护方案有效控制了围岩的变形,巷道保持稳定。