張志遠(yuǎn)

(太原煤氣化(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 太原 030032)

龍泉煤礦為太原煤炭氣化(集團(tuán))有限責(zé)任公司的重要煤炭生產(chǎn)基地，年產(chǎn)能力近400萬(wàn)t，采用綜合機(jī)械化放頂煤工藝開(kāi)采位于太原組頂部的4#煤層。4#煤層的厚度為1.70～8.2 m，平均6.47 m，煤層傾角為5°～10°，埋藏深度300～1 000 m，埋深變化較大。為了保證礦井采掘正常接替，井田南部掘進(jìn)布置了3條大巷，包括兩條煤巷(南膠帶大巷、南一回風(fēng)大巷)和一條巖巷(南運(yùn)輸大巷)。南膠帶大巷施工斷面形狀為矩形，寬5.7 m，高3.75 m，斷面面積為21.38 m2，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2 154.6 m，沿4#煤層頂板掘進(jìn)長(zhǎng)度為1 709.8 m，傾角較大，為12°～13°；巷道埋深變化大，南部較淺處埋深為231 m，北部埋深達(dá)到583 m.

該礦面臨著同一條巷道埋藏深度變化大但因支護(hù)方式不變而導(dǎo)致的深部范圍支護(hù)效果不佳或淺部范圍支護(hù)成本過(guò)大等問(wèn)題。為了合理評(píng)價(jià)巷道支護(hù)現(xiàn)狀，改善支護(hù)參數(shù)，提高綜合支護(hù)能力，以南膠帶大巷為例，對(duì)不同埋藏深度下的巷道圍巖穩(wěn)定性狀況進(jìn)行分析及支護(hù)優(yōu)化，確保巷道安全、正常的掘進(jìn)。

1 地質(zhì)特征

為了解4#煤層頂板巖層的賦存及層理、裂隙發(fā)育情況，在南膠帶大巷布置2個(gè)鉆孔并采用TYGD10探測(cè)儀進(jìn)行鉆孔窺視分析。頂板15 m范圍內(nèi)的鉆孔圍巖性質(zhì)及巖層分布統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1.

表1 頂板圍巖性質(zhì)及巖層情況表

總體來(lái)說(shuō)，頂板15 m窺視范圍的4#煤層頂板較破碎，裂隙發(fā)育，尤其在1～2 m、6～9 m段，圍巖破裂嚴(yán)重；此外還伴有少量夾層，在窺視過(guò)程中涌水量較大，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響較大。

2 不同埋藏深度巷道圍巖的穩(wěn)定性分析

由于工程類比巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法具有一定局限性，該礦南膠帶大巷原有支護(hù)方案設(shè)計(jì)所使用的煤層賦存條件、圍巖結(jié)構(gòu)具體信息量和考慮埋藏深度因素不足[1]. 采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法對(duì)原有支護(hù)條件下南膠帶大巷在不同埋藏深度時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析，將計(jì)算結(jié)果中的位移、應(yīng)力等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同埋藏深度范圍的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化[2-5].

南膠帶大巷的原支護(hù)方案：頂板及巷幫錨桿均為d22-M24-2400 mm左旋螺紋鋼錨桿，其中頂板錨桿的間排距為850 mm×1 000 mm，巷幫錨桿的間排距為900 mm×1 000 mm；頂板錨索為d21.8 mm×7 000 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，“二三二”五花布置，兩根的間排距為2 300 mm×2 000 mm，三根的間排距為2 200 mm×2 000 mm.

由于該礦南膠帶大巷的埋深變化較大，為了對(duì)比分析不同深度下原有支護(hù)方案對(duì)應(yīng)的巷道圍巖支護(hù)效果，分別取埋深為200 m、400 m、600 m和800 m進(jìn)行分析計(jì)算，為該礦不同深部巷道選取合理的支護(hù)方案提供參考。由于篇幅限制，僅列舉出埋深400 m時(shí)南膠帶大巷原支護(hù)方案數(shù)值計(jì)算后得到的巷道圍巖垂直應(yīng)力、塑性區(qū)、垂直位移、水平位移分布圖(圖1)，不同埋藏深度巷道數(shù)值計(jì)算后得到的評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表2(垂直應(yīng)力、剪切應(yīng)力、水平應(yīng)力為應(yīng)力云圖中巷道圍巖應(yīng)力的最大值)。

圖1 埋深400 m時(shí)南膠帶大巷數(shù)值計(jì)算結(jié)果圖

由圖1可以看出，南膠帶大巷開(kāi)挖后兩幫圍巖中的垂直應(yīng)力比較集中，在兩幫位置形成了強(qiáng)烈的應(yīng)力集中區(qū)域，垂直應(yīng)力最大達(dá)到了17.38 MPa. 巷道圍巖中的塑性區(qū)以剪切破壞為主，且頂?shù)装?、兩幫破壞范圍都較大，巷道圍巖的整體穩(wěn)定性較差。巷道頂板的最大下沉量為9.34 cm，最大底鼓量為14.13 cm，頂?shù)装迨諗恐禐?3.47 cm，兩幫收斂量最大值為21.66 cm，巷道圍巖變形較大。

表2 巷道圍巖評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表

將數(shù)值計(jì)算得到的埋藏深度分別為200 m、400 m、600 m、800 m時(shí)南膠帶大巷的圍巖變形、圍巖應(yīng)力對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖2，圖3.

圖2 埋深與巷道圍巖位移關(guān)系曲線圖

圖3 埋深與巷道圍巖應(yīng)力關(guān)系曲線圖

由圖2，圖3可以看出，南膠帶大巷的埋深從200 m增加到800 m，對(duì)應(yīng)的圍巖變形量、應(yīng)力值均大幅度增加，巷道埋深400 m時(shí)的頂?shù)装逡平俊蓭褪諗苛考s為200 m時(shí)的3倍，圍巖應(yīng)力達(dá)到埋深200 m時(shí)的2倍；埋深在600 m時(shí)頂?shù)装逡平俊蓭褪諗苛窟_(dá)到埋深400 m時(shí)的3倍，圍巖應(yīng)力較埋深400 m增加約50%；埋深在800 m時(shí)頂?shù)装逡平?、兩幫收斂量約為埋深600 m時(shí)的1.5倍，圍巖應(yīng)力較埋深600 m時(shí)也有所增加。此外，埋深達(dá)到600 m、800 m時(shí)，巷道圍巖的塑性破壞范圍明顯大于埋深200 m、400 m. 總之，埋深對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響較大，尤其對(duì)于巷道埋深處于800 m時(shí)需要及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，改善巷道圍巖穩(wěn)定性。

3 不同埋藏深度巷道圍巖支護(hù)方案優(yōu)化

通過(guò)對(duì)原支護(hù)方案下不同埋深對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值計(jì)算分析與研究，可以看出南膠帶大巷的原支護(hù)方案基本滿足埋深200 m、400 m時(shí)圍巖的穩(wěn)定性控制要求；但對(duì)于埋深超過(guò)600 m時(shí)，巷道圍巖的變形、應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于埋深為200 m、400 m，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)。

因此，針對(duì)該礦南膠帶大巷不同的埋深條件，建議采取有區(qū)別的支護(hù)方案。當(dāng)埋深小于400 m時(shí)，原支護(hù)方案可以滿足圍巖控制要求，考慮支護(hù)材料經(jīng)濟(jì)成本因素，可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果適當(dāng)降低錨桿索的密度，即增大間排距。當(dāng)埋深大于400 m時(shí)，應(yīng)在原有方案的基礎(chǔ)上將錨索、錨桿間排距適當(dāng)縮小，調(diào)整錨索布置方式，即在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，頂板錨桿的間排距由850 mm×1 000 mm調(diào)整為850 mm×850 mm，巷幫錨桿的間排距由900 mm×1 000 mm調(diào)整為850 mm×850 mm，錨索排距由2 m調(diào)整為1.7 m. 對(duì)埋深大于400 m時(shí)調(diào)整支護(hù)方案后的支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，得到的巷道圍巖垂直應(yīng)力、塑性區(qū)、垂直位移、水平位移分布結(jié)果見(jiàn)圖4.

由圖4可以看出，南膠帶大巷埋深大于400 m時(shí)，調(diào)整支護(hù)方案后的垂直應(yīng)力比較均勻，在兩幫位置形成的應(yīng)力集中區(qū)域不明顯，垂直應(yīng)力最大為14 MPa. 巷道圍巖中的塑性區(qū)仍然以剪切破壞為主，但頂?shù)装?、兩幫破壞范圍都較小，巷道圍巖的整體穩(wěn)定性較好。巷道頂板下沉量最大為9.04 cm，底鼓量最大為14.01 cm，頂?shù)装迨諗恐禐?3.05 cm；兩幫收斂量最大值為20.55 cm，支護(hù)效果優(yōu)于調(diào)整前的支護(hù)方案。

圖4 埋深大于400 m時(shí)調(diào)整支護(hù)方案后的支護(hù)效果圖

4 結(jié) 論

1) 在南膠帶大巷布置鉆孔并采用TYGD10探測(cè)儀進(jìn)行鉆孔窺視分析得出，該巷道的頂板圍巖破裂嚴(yán)重，且含水，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響較大。因此，進(jìn)行巷道圍巖控制過(guò)程中必須保證錨桿、錨索的錨固質(zhì)量，適當(dāng)加長(zhǎng)頂板錨索錨固長(zhǎng)度，提高巷道錨固性能及圍巖整體穩(wěn)定性。

2) 通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算得到的巷道圍巖表面收斂量和應(yīng)力水平評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行處理分析得出，埋深對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性影響較大，支護(hù)應(yīng)當(dāng)“因地制宜”，即使是同一條巷道，當(dāng)埋深發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)在確保安全的前提下，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案。