两渡煤业21018回采巷道围岩控制技术研究及应用

李峰峰

(山西汾西矿业集团两渡煤业有限责任公司,山西 晋中 032000)

基于我国的基本国情,煤炭资源在我国一次性能源消费结构中一直占据主导地位[1-2]。随着近年来煤炭开采技术及设备的不断提升,煤炭开采强度、深度不断增大,如何安全、高效的进行巷道支护成为了各大煤矿企业的关注重点[3-5]。本文以两渡煤业准备掘进的21018回采巷道为工程背景,对巷道围岩控制技术进行了研究。

1 工程概况

两渡煤业目前主采9号煤层,平均厚度1.18 m,平均倾角为2°.直接顶岩层为均厚1.25 m的泥岩,老顶岩层为均厚5.6 m的石灰岩,直接底岩层为均厚2.0 m的砂质泥岩,老底岩层为均厚3.8 m的泥岩。9号煤层及其顶底板岩层厚度如表1所示。

表1 9号煤层及其顶底板岩层厚度

目前,两渡煤业准备掘进的21018回采巷道设计为矩形巷道,断面尺寸为宽×高=4.0 m×3.2 m,为保证21018回采巷道支护效果,对其原有支护方案进行优化设计。

2 支护方案优化设计

为制定合理的巷道支护方案,借助FLAC3D数值模拟软件,对两渡煤业21018回采巷道支护效果进行分析,9号煤层及其顶底板岩层物理力学参数如表2所示。

表2 9号煤层及其顶底板岩层物理力学参数

根据两渡煤业9号煤层地质条件构建数值模型,模型尺寸为长×宽×高=270 m×144 m×50 m,上表面直接15.6 MPa的垂直应力,其余各表面均施加位移约束。

2.1 原支护方案支护效果

21018回采巷道原设计采用锚杆(索)联合支护的方式,顶板采用Φ20 mm×2 000 mm的左旋螺纹钢锚杆,间排距为1 000 mm×1 000 mm,边锚杆与竖直方向夹角为10°.锚索为Φ18.9 mm×7 300 mm的普通钢绞线,两帮选用Φ18 mm×1 800 mm的右旋等强螺纹钢锚杆,间排距为1 000 mm×1 000 mm,为保证巷道围岩的整体支护效果,巷道顶板及两帮均铺设金属网。巷道原支护方案如图1所示。

图1 21018回采巷道原支护方案(单位:mm)

在原支护设计条件下,巷道围岩应力分布、位移及塑性区范围如图2所示。

图2 原支护方案支护效果

如图2所示,在原支护方案条件下,巷道水平应力最大值为7.65 MPa,呈抛物线分布特点,垂直应力最大值为15.51 MPa,巷道两帮变形量最大值为546 mm,顶板下沉量最大值为271 mm.根据数值模拟结果,巷道围岩变形量较大,且塑性区范围较大,一旦受到工作面回采动压的影响,极易导致巷道围岩大变形甚至出现围岩失稳等情况,从而引发安全事故。因此,需提升21018回采巷道的支护强度以保证现场的安全生产。

2.2 巷道支护方案优化

根据数值模拟结果及邻近矿井的支护经验,对21018回采巷道支护方案进行优化,从提高支护强度的角度考虑,设计如下3种支护方案,如表3所示。

表3 优化后支护方案

借助FLACD3D数值模拟软件,对上述3种支护方案的支护效果进行分析研究,不同支护方案条件下,巷道围岩应力分布、位移及塑性区范围如图3～图5所示。

图3 不同方案条件下巷道围岩应力分布

图4 不同方案条件下巷道围岩位移分布

图5 不同方案条件下巷道围岩塑性区范围

根据数值模拟结果,优化后不同方案条件下巷道围岩应力及位移分布统计数据如表4所示。

表4 各支护方条件下巷道围岩应力及位移分布

根据数值模拟结果,在方案2条件下,巷道围岩变形仍然较大,顶板下沉量最大值为346.7 mm,两帮移近量为70.2 mm,而且巷道两帮出现了明显的应力集中现象,说明方案2并未有效约束巷道围岩变形,巷道围岩塑性区范围仍然较大,在工作面采动影响下巷道围岩仍有失稳的风险。与方案2相比,方案1及方案3对巷道围岩约束效果明显更佳。对比分析方案1及方案3,方案3在方案1的基础上,支护强度更大,但是巷道顶板下沉量最大值仅比方案1减小了0.4 mm,两帮变形量最大值仅比方案1减小了2.6 mm,几乎可以忽略不计,但是支护成本却比方案1增加许多。以21018回采巷道长度1 200 m计算,顶板锚杆方案3比方案1多使用约5 828根,帮锚杆方案3比方案1多使用5 142根,顶板锚索方案3比方案1多使用1 026根。因此,综合考虑支护投入及支护效果,方案1为最优支护方案。

3 现场试验

为验证方案1的现场支护效果,在21018回采巷道进行现场试验,在方案1支护条件下,对巷道围岩变形量进行现场监测,在21018回采巷道掘进工作面后方50 m及100 m位置布置两个巷道围岩变形监测点,现场监测数据如图6所示。

图6 21018回采巷道围岩变形监测曲线

现场监测数据显示,优化后方案支护条件下,当巷道围岩趋于稳定状态后,1号测点巷道顶板下沉量最大值为33.4 mm,两帮变形量最大值为9.7 mm,2号测点巷道顶板下沉量最大值为32.6 mm,两帮变形量最大值为7.8 mm,在巷道掘进过程中巷道围岩稳定性良好,表明前述支护方案合理可行,可以对巷道围岩起到有效的约束作用。

4 结 语

本文以两渡煤业为工程背景,采用理论分析、数值模拟及现场试验的方法,对21018回采巷道原有支护方案进行了优化设计,得到以下结论:

1) 原支护方案支护强度较低,对巷道围岩无法起到有效的约束作用,巷道围岩变形量较大。

2) 在原有支护方案基础上,增加支护密度,综合考虑支护成本,优化后的支护方案如下:顶锚杆规格为Φ20 mm×2 500 mm,间排距为900 mm×700 mm,顶锚索规格为Φ18.9 mm×8 300 mm,间排距为1 600 mm×1 400 mm,帮锚杆规格为Φ20 mm×2 200 mm,间排距为900 mm×700 mm.

3) 通过现场试验,优化后的支护方案可有效约束巷道围岩变形,巷道围岩变形量不大,可满足现场的安全生产需求。