孤島綜放工作面下部近距離巷道穩(wěn)定控制技術(shù)研究

1、孤島綜放工作面下部近距離巷道穩(wěn)定控制技術(shù)研究    【摘要】針對(duì)莒山煤礦ZF302工作面下部近距離巷道，運(yùn)用先進(jìn)的理論依據(jù)，科學(xué)的研究方法，對(duì)巷道加固進(jìn)行設(shè)計(jì)，回采過(guò)程中通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，該研究設(shè)計(jì)合理，安全可靠，為類似條件下的巷道工程提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。 【關(guān)鍵詞】工程概況；巷道圍巖松動(dòng)圈；測(cè)試；巷道；研究 1. 工程概況 （1）ZF302工作面位于礦井井田北部，主要回收3#煤層六采區(qū)大巷保護(hù)煤柱，ZF302工作面為孤島放頂煤工作面，如圖1所示。 （2）ZF302工作面采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板。工作面長(zhǎng)度74.6m，機(jī)采高度2.2

2、0m，放頂煤高度3.64m。3號(hào)煤層位于山西組中下部，厚度5.50 8.15m，平均厚6.13m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部夾12層炭質(zhì)泥巖，厚約0.10 0.16m。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖或泥巖，底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖。 （3）六采區(qū)運(yùn)輸大巷位于ZF302工作面下部，與工作面相距1023米， 嚴(yán)重威脅著上部ZF302采面的安全開(kāi)采。運(yùn)輸大巷采用砌碹三心拱支護(hù)，巷道凈寬4.2米，直墻高1.5米。 圖1六采區(qū)運(yùn)輸大巷位置圖 表1六采區(qū)運(yùn)輸大巷圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果 測(cè)站序號(hào) 巖性 觀測(cè)結(jié)果 頂板/m 上幫/m 下幫/m 備注 巖巷 0.99 0.7 0.09 距ZF302采面垂距約20m 巖巷 1.34 0.21

3、 0.11 距ZF302采面垂距約15m 巖巷 0.69 0.34 0.19 距ZF302采面垂距約10m 2. 巷道圍巖松動(dòng)圈及巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試 2.1巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試。 采用YTJ20型巖層探測(cè)記錄儀進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈厚度值測(cè)試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，在六采區(qū)運(yùn)輸大巷選擇與ZF302采面不同層間距的三處測(cè)站，測(cè)站距離ZF302采面約20m，測(cè)站距離ZF302采面約15m，測(cè)站距離ZF302采面約10m。松動(dòng)圈實(shí)測(cè)結(jié)果表明：莒山煤礦六采區(qū)運(yùn)輸大巷的圍巖松動(dòng)圈厚度小于1.5m，屬于中小松動(dòng)圈，巷道穩(wěn)定性較好。但值得注意的是，三個(gè)測(cè)站的頂板松動(dòng)圈厚度都明顯大于兩幫。分析其原因是由于碹體與巷道圍巖之間存

4、在較大空隙（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔探測(cè)，空隙厚度一般在0.2m以上），頂板圍巖在重力作用下逐步變形、破裂和離層（六采區(qū)運(yùn)輸大巷圍巖松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1）。 2.2巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試。 （1）采用萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)3#煤及其與六采區(qū)運(yùn)輸大巷之間的巖石試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度的測(cè)定。 （2）3#煤與砂巖的容重、單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、粘聚力以及內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表2。 表2巖石物理力學(xué)參數(shù) 巖性 容重（g/cm3） 單軸抗壓強(qiáng)度（MPa） 單軸抗拉強(qiáng)度（MPa） 粘聚力（MPa） 內(nèi)摩擦角（°） 3#煤 1.52 11.25 1.1 1.5 35 砂巖 2.60 47.

5、33 3.56 5.9 33 3. ZF302采面下部巷道穩(wěn)定性研究 3.1理論分析。 （1）前西德學(xué)者雅可畢將煤層開(kāi)采條件理想化，即將巖體視為均質(zhì)的彈性體，對(duì)煤柱和煤體下方底板巖層中的應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬計(jì)算。得到了 應(yīng)力線的分布圖如圖2所示。ZF302采面處于兩側(cè)采空的煤柱中，該煤柱寬度約100m，根據(jù)圖2可知位于煤柱正下方50m范圍內(nèi)的應(yīng)力集中系數(shù)大于3，其中心區(qū)域達(dá)到4。 （2）當(dāng)六采區(qū)運(yùn)輸大巷受到工作面采動(dòng)影響時(shí)，該集中應(yīng)力與超前采動(dòng)支承壓力疊加，巷道承受的垂直應(yīng)力將達(dá)到煤層上覆巖層自重應(yīng)力的1012倍，由此將導(dǎo)致巷道的嚴(yán)重變形和坍塌。因此，必須對(duì)六采區(qū)運(yùn)輸大巷進(jìn)行合理加固，以確保上部

6、ZF302采面的安全順利回采。 圖2底板巖層中的應(yīng)力分布 3.2數(shù)值模擬。 3.2.1采用FLAC軟件按照實(shí)際地質(zhì)條件和巷道尺寸建立計(jì)算模型，如圖3所示，分析ZF302采面回采對(duì)其下部近距離巷道的影響。 3.2.2為便于分析巷道圍巖的應(yīng)力與位移規(guī)律，在巷道的左幫、右?guī)?、頂板和底板分別設(shè)置了測(cè)線。 3.2.3根據(jù)模型得出運(yùn)輸大巷右?guī)停ㄉ蠋停?m深處圍巖豎向應(yīng)力分布演化曲線，如圖4所示。 3.2.4根據(jù)運(yùn)輸大巷右?guī)停ㄉ蠋停?m深處圍巖豎向應(yīng)力分布演化曲線可知，如圖4，六采區(qū)運(yùn)輸大巷所處位置的初始豎向應(yīng)力為25MPa，巷道開(kāi)挖后右?guī)?m深處為38.2MPa，ZF302采面開(kāi)采過(guò)程中超前采面60m范圍

7、內(nèi)受到支承壓力的影響為應(yīng)力升高區(qū)，其中40m范圍內(nèi)為支承壓力峰值區(qū)；開(kāi)采后運(yùn)輸大巷處于卸壓區(qū)，圍巖應(yīng)力急劇下降。 圖3數(shù)值計(jì)算模型 圖4運(yùn)輸大巷右?guī)停ㄉ蠋停?m深處圍巖豎向應(yīng)力分布演化曲線 圖5錨注支護(hù)橫斷面圖 3.2.5由以上理論分析和數(shù)值模擬，可以得出如下結(jié)論： （1）ZF302采面開(kāi)采對(duì)其下部近距離巷道的穩(wěn)定性影響很大。 （2）ZF302采面回采期間，其下部六采區(qū)運(yùn)輸大巷頂板承受的豎向應(yīng)力峰值約為25MPa，位于ZF302采面前方約20m（由于數(shù)值計(jì)算每次開(kāi)采20m，所以該數(shù)據(jù)較粗略，根據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)與理論分析結(jié)果，應(yīng)為8m左右），采面開(kāi)采過(guò)程中對(duì)下部巷道的超前影響范圍為60m，其中

8、40m范圍內(nèi)為支承壓力顯著影響區(qū)；開(kāi)采后位于采空區(qū)下方的運(yùn)輸大巷處于卸壓區(qū)，圍巖應(yīng)力急劇下降，巷道穩(wěn)定性大大提高。 （3）針對(duì)以上特點(diǎn)，為了維護(hù)ZF302采面下部巷道的穩(wěn)定以確保ZF302采面的安全順利回采，必須在開(kāi)采前和開(kāi)采過(guò)程中對(duì)ZF302采面下部的巷道進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)相結(jié)合的合理加固。 4. 六采區(qū)運(yùn)輸大巷加固設(shè)計(jì) 4.1錨注支護(hù)設(shè)計(jì)。 為提高圍巖整體性，對(duì)六采區(qū)運(yùn)輸大巷表面破碎圍巖和圍巖與碹體之間空隙展開(kāi)錨注支護(hù)，采用水泥水玻璃漿液，42.5#普通硅酸鹽水泥+45波美度液體水玻璃，水灰比控制在0.81.0，水玻璃摻量為水泥重量的35%。注漿錨桿由26mm無(wú)縫鋼管截?cái)嗝娼M成，桿長(zhǎng)1000

9、mm，注漿段300 mm。在注漿段每隔75mm 對(duì)稱鉆兩個(gè)12 mm 的注漿通孔。排距為1.4m，橫斷面布置如圖6。 4.2錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計(jì)。 4.2.1高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)。 （1）在采面支承壓力的作用下，即使很大的支護(hù)阻力也難以避免圍巖產(chǎn)生較大變形，因此，巷道支護(hù)在具有較高阻力的同時(shí)必須具有較大的變形性能，使圍巖的變形能量得到釋放而讓壓，防止支護(hù)在高支承壓力作用下被破壞。因此，要求所采用的錨桿和錨索材質(zhì)具有高強(qiáng)度和大延伸率的特性。 （2）巷道支護(hù)材料選用BHRB600型左旋無(wú)縱筋螺紋鋼高強(qiáng)度錨桿，規(guī)格為：202200mm，每根錨桿采用1卷K2350和1卷Z2370樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，錨桿間排

10、距0.9m×0.9m，預(yù)緊力矩120N.m。每排10根錨桿，兩幫底角錨桿距底板300mm。 4.2.2關(guān)鍵部位錨索加強(qiáng)支護(hù)。 （1）傳統(tǒng)的1×7結(jié)構(gòu)錨索延伸率較低，無(wú)法滿足動(dòng)壓巷道大變形的要求，而且很難與錨桿形成耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)。選用1×19結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度、大延伸率錨索不僅強(qiáng)度高，延伸率大，而且與樹(shù)脂錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度較高，能夠滿足動(dòng)壓巷道高應(yīng)力大變形的要求。 （2）錨索規(guī)格為17.86200mm，每根錨桿采用1卷K2370和2卷Z2370樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，錨索間排距1.6m×1.8m，預(yù)拉力100KN，采用“三花”布置（即相鄰兩排錨索中，一排在頂板中部布

11、置一根，另一排在兩個(gè)拱肩處對(duì)稱布置兩根）。 4.2.3鋼筋網(wǎng)護(hù)頂支護(hù)。 （1）考慮到砌碹支護(hù)脆性大，容易發(fā)生局部破壞并導(dǎo)致全斷面垮塌，需要在巷道拱頂鋪設(shè)較大剛度和強(qiáng)度的鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)采用直徑6.5mm的圓鋼焊接而成，網(wǎng)孔規(guī)格100mm×100mm。 具體加固方案及參數(shù)見(jiàn)圖6。 圖8頂?shù)孜灰茍D 圖9兩幫位移 （2）上述支護(hù)方案設(shè)計(jì)主要針對(duì)與ZF302采面垂距15m的巷道，考慮到支護(hù)方案的經(jīng)濟(jì)性和施工的快速性，對(duì)與ZF302采面垂距>15m的巷道采用工字鋼梁與單體液壓支柱進(jìn)行超前加強(qiáng)支護(hù)的方式來(lái)代替錨網(wǎng)索支護(hù)，每1m巷道架設(shè)1排，單根液壓支柱初撐力不低于120KN，如圖7所示。隨著采面往前推進(jìn)在前部架設(shè)支架的同時(shí)將后部的支架拆除。 5. 實(shí)測(cè)效果分析 （1）巷道圍巖表面位移是評(píng)價(jià)巷道支護(hù)效果的重要指標(biāo)，實(shí)測(cè)六采區(qū)運(yùn)輸大巷頂?shù)准皟蓭妥冃我?guī)律如圖8和圖9所示。 （2）從變形曲線來(lái)看，在采面回采期間變形增長(zhǎng)速度明顯加快，并隨著距離采面的臨近變形速度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但總變形量都不超過(guò)250mm，能滿足煤礦安全生產(chǎn)要求，支護(hù)效果良好。 6. 結(jié)論 （1）ZF302采面開(kāi)采對(duì)其下部近距離巷道的穩(wěn)定性影響很大，如不加固回采產(chǎn)生的松動(dòng)圈厚度最大達(dá)到3m，局部會(huì)更大，大大增加了下部巷道坍塌引起采面支架下陷的可能性，給工作面的安全推進(jìn)帶來(lái)了很大的威脅。 （2）本研究設(shè)計(jì)所