张欣
(山西潞安工程有限公司,山西 长治 046100)
常村煤矿2106 轨道顺槽地面位置位于姬村以南,屯留国家粮食储备库西北。主要用于工作面运料、行人、通风。2106 轨道顺槽南接470 东翼辅助运输巷(已掘),北接2106 开切眼(已掘),西侧为2104 综放工作面,东侧为未采掘区域,巷道位置如图1(a) 所示,2106 轨道顺槽位于3 号煤层,煤层平均厚度为5.82 m。根据三维勘探二次解释结果显示,2106 轨顺掘进至距2107 回风联巷北帮70.3 m 位置时,巷道可能揭露F2(H=14 m∠70°) 正断层。2106 外切眼掘进范围未发育断层及陷落柱。除此之外,F2(H=14 m ∠70°) 正断层附近可能发育有其他衍生断层等构造。2106轨道顺槽长约897 m,巷道沿3 号煤层底板施工,宽5.0 m、高3.5 m,工作面地质柱状图部分如图1(b) 所示。针对该矿巷道临回采工作面掘进期间围岩变形大、支护困难问题,以2106 轨道顺槽为例,对其合理煤柱宽度及支护方案进行相关研究。
图1 巷道位置及顶底板岩层特征Fig.1 Roadway position and rock characteristics of roof and floor
与邻近回采工作面间煤柱宽度变化不仅影响巷道围岩应力环境,而且邻近工作面采动对巷道围岩的影响程度也随之变化,为明确煤柱宽度对于掘进巷道围岩稳定性的具体影响,以常村煤矿2106 工作面的工程地质条件为依据,借助FLAC3D 软件进行其掘进及工作面开采过程的模拟[1-2],模型X 轴、Y 轴方向分别为煤层的倾斜方向、走向方向,设计模型X 轴方向长350 m、Y 轴方向宽150 m、Z 轴方向厚100 m,煤岩层具体力学参数见表1。模型顶部未建立的岩层总厚度约500 m,顶部自由边界施加12.5 MPa 的压应力,取侧压系数值为1.12,所建模型及模拟方案如图2(a) 所示。
表1 岩层主要力学参数Table 1 Main mechanical parameters of rock strata
图2 数值模型及开挖范围示意Fig.2 Numerical model and excavation scope
模拟计算时,2106 轨道顺槽沿3 号煤层底板布置,矩形断面宽5.0 m、高3.5 m,巷道无支护,采空区顶板采用自然崩落法处理,2104 工作面回采方向与2106 运输顺槽掘进方向相反,煤柱宽度为15~40 m。煤柱内的应力状况与巷道围岩稳定性密切相关,为准确掌握不同煤柱宽度内的应力分布,在煤柱中部布置测线,在2104 工作面回采稳定后,得到煤柱内垂直应力分布,如图3(a) 所示;监测巷道顶板垂直位移,得到图3(b) 所示结果。
图3 不同煤柱宽度条件下垂直应力和位移模拟结果Fig.3 Simulation results of vertical stress and displacement with different coal pillar width
根据数值模拟结果可以看出,煤柱宽度为15、20、25 m 时,煤柱内垂直应力基本呈单峰分布,应力峰值分别为18.73、21.58、25.09 MPa,此时煤柱两侧的应力在煤柱上方叠加,不利于巷道围岩的稳定;当煤柱宽度为30、35、40 m 时,煤柱内应力呈双峰分布,应力峰值稳定在20 MPa 以下,此时煤柱两侧的支承压力未在煤柱内部叠加,煤柱内存在一定宽度的弹性区[3],对巷道围岩稳定较有利;煤柱宽度为15 ~25 m 时,巷道中线附近顶板下沉量最大值均超过500 mm 以上,煤柱宽度为30 ~40 m 时,巷道中线附近顶板下沉量最大值小于500 mm,巷道围岩稳定性较好。综上表明,2106 工作面与邻近合理煤柱尺寸为30 m。
常村煤矿2106 轨道顺槽原设计支护方式为锚网支护,结合相似条件下巷道变形特征,在原支护基础上,通过增加锚索、调整锚杆布置参数进行支护方案的优化,共提出5 种支护方案。
方案一(原支护):顶板及两帮锚杆规格φ22 mm×2 400 mm,每排14 根锚杆,顶锚杆间距900 mm,预紧力距250 N·m,所有锚杆垂直顶板安装,帮锚杆间距950 mm,预紧力距150 N·m,所有锚杆沿水平方向布置。
方案二:在原支护基础上,锚杆排距优化为800 mm,顶板增加1 根锚索,规格φ22 mm×6 300 mm,排距2.4 m,预应力150 kN。
方案三:在原支护的基础上,肩角附近的锚杆倾斜布置,顶板增加锚索支护,锚索规格φ22 mm×7 300 mm,采用“二一二”布置,间排距2 200 mm×1 800 mm,预应力150 kN。
方案四:在方案三的基础上,顶板锚索调整为“二二”布置,间排距2 200 mm×900 mm,顶板锚杆预紧力距350 N·m,帮锚杆预紧力距250 N·m,顶板锚索预应力250 kN。
方案五:在方案四的基础上,顶板锚索调整为“三三”布置,间排距1 100 mm×900 mm。
2106 轨道顺槽与邻近回采工作面间留设30 m煤柱,巷道附近的煤岩体网格加密布置,根据数值模拟结果,整理得到顶板下沉量和煤柱帮内移量变化规律,如图4 所示。可以看出,5 种支护方案条件下,巷道顶板下沉量和煤柱帮内移量均较支护前显著降低,说明各支护方案均能对围岩起到一定的控制作用。原支护方案条件下,顶板下沉量和煤柱帮内移量均相对较大,支护效果相对较差;支护方案2、3 条件下,巷道表面变形量相对较小,支护效果得到一定提升,但支护方案4、5 对于巷道围岩的控制效果更好,顶板最大下沉量为80 mm 左右,煤柱帮最大水平位移为40 mm 左右,预计可保证巷道围岩稳定性。
图4 不同支护方案围岩变形量Fig.4 Deformation of surrounding rock under different support schemes
结合前文数值模拟结果并同时考虑资源利用率、巷道支护等方面因素,确定常村煤矿2106 轨道顺槽与2104 综放工作面间煤柱宽度为30 m,掘巷阶段永久支护方式为预应力高强锚网索梁联合支护,详细参数如下。
巷道断面尺寸宽、高为5.0 m、3.5 m,顶板锚杆规格φ22 mm×2 400 m,所用材料种类为左旋螺纹钢,顶板锚索规格φ22 mm×7 300 m,所用材料种类为1770 级低松弛钢绞线,顶板钢筋梯子梁由直径14 mm 的圆钢制作,顶板和两帮采用8号菱形金属网片护表,顶板锚杆预紧力距350 N·m,帮锚杆预紧力距250 N·m,顶板锚索预应力250 kN,支护详情如图5 所示。
图5 2106 轨道顺槽支护方案Fig.5 Support scheme of No.2106 track crossheading
常村煤矿2106 轨道顺槽采用高强度预紧力锚杆锚索支护方案(优化支护方案四),与2104 工作面间留设30 m 煤柱,掘巷期间及2106 工作面回采期间监测巷道表面围岩变形量[4],典型数据如图6 所示。可以看出,掘进期间巷道支护完成后,随着成巷时间的延长,巷道表面变形量呈现阶段性快速增大后趋于稳定的趋势,顶底板移近量约51.8 mm,两帮移近量约59.4 mm,巷道表面变形量微小,可见变形破坏得到有效控制,能够保证巷道正常使用;在服务于工作面生产期间,超前工作面约35 m 处围岩开始进一步变形,在距工作面10 m 以内时变形速度最快,在工作面回采至测站前方约1 m 处时,顶底板移近量及两帮移近量均为350 mm左右,总体变形量虽然较大,但是可保证巷道的正常生产,巷道的过度变形得到有效控制。
图6 矿压监测结果Fig.6 Mine pressure monitoring results
针对常村煤矿与回采工作面相邻巷道煤柱留设宽度不合理、支护效果差的问题,通过现场调研、数值模拟等方法,对最优煤柱宽度和巷道支护方案进行研究,工业性试验阶段进行矿压监测,结果表明,煤柱宽度大于30 m 后,煤柱内存在稳定的弹性区,利于巷道围岩稳定,结合2106 轨道顺槽的工程地质特征,在原支护方案的基础上提出了5 种锚网索联合支护方案,通过数值模拟分析确定最优方案,实践表明,优化后的煤柱尺寸和支护方案可控制巷道围岩的变形破坏,满足矿井安全生产需求。