西曲矿切眼成巷方式确定及实践

2020-05-06刘德亮

山西焦煤科技 2020年2期

刘德亮

(西山煤电(集团)有限责任公司西曲矿，山西古交 030200)

大断面巷道掘进施工时，巷道成型质量差，支护难度大，必须采取合理的成巷方式，以控制围岩变形。陈晓祥等[1-5]运用各种模拟软件并结合理论计算研究了大跨度巷道不同成巷方式对巷道围岩稳定性的影响。以西山煤电集团西曲矿28307工作面大断面切眼为研究对象，主要采用工程类比、FLAC3D数值模拟的方法，分别分析一次成巷、二次成巷方式下切眼围岩变形特点与应力分布特征，最终确定切眼的成巷方式并进行现场试验。

1 工程地质条件及存在的问题

西曲矿8#煤层厚度3.21～4.46 m，平均4.05 m，上距7#煤层10.40～22.40 m，平均16.26 m，下距K3砂岩4.76 m.

该矿28307工作面切眼断面为矩形，设计长度为170 m，巷道断面为宽7 000 mm×高3 500 mm(净)，属大断面。开采8#煤时，经常出现巷道冒顶、片帮等现象，且范围广，导致巷道经常出现翻修的情况，影响矿井安全生产，甚至出现采掘失调的情况。因此，确定成巷方式成为解决以上问题的关键。

2 切眼成巷方式的数值模拟

采用FLAC3D数值模拟方法，模拟28307工作面大断面切眼采用一次成巷、先掘3.5 m后扩帮3.5 m、先掘4.5 m后扩帮2.5 m、先掘5.5 m后扩帮1.5 m等4种方式，根据模拟结果分析确定成巷的最佳方式。

2.1 切眼一次成巷的数值模拟

根据西曲矿28307工作面的埋深、上覆煤层情况、下覆煤层巷道布置情况以及煤、岩层力学参数等地质条件，建立有限差分数值模型，采用长500 m×宽1 m×高50 m的模型尺寸。

一次成巷时，塑性破坏区分布范围明显(图1)，造成顶底板、两帮塑性区范围变大的主要原因是巷道大断面开挖后，围岩原有的应力平衡被打破，受扰动破坏的影响，使得大范围内的顶板塑性区增大。

图1 切眼一次成巷方式下塑性破坏区分布图

计算平衡之后，利用后处理软件，绘制位移等值线图(一次成巷时，两帮移近量、切眼中心顶板下沉量、底板底鼓量)，结果见图2.由图2可知，切眼一次施工7 m宽断面时，顶底板最大收敛值约为380 mm. 顶底板变形情况中，变形最大的是顶板下沉量，且最大变形位置位于巷道顶板中部，最大变形量(下沉量)约为360 mm；底板变形量(即底鼓量)最小，变形量为20 mm；顶板围岩变形程度大于底板，主要影响因素分析如下：西曲矿8#煤层的上覆煤层开挖前，围岩处于三向应力平衡状态，开挖后，应力平衡被破坏，当上覆煤层回采结束且围岩应力重新分布再次平衡之后，8#煤层顶板即上覆煤层的底板已受到一次扰动；当开挖8#煤期间，其顶板再次受到扰动，再加上开挖切眼巷道时，断面跨度较大，造成顶板变形量很大；而底板相对于顶板而言，围岩较稳定，这是底板的变形量远小于顶板的原因。巷道帮部的变形量相对于顶底板较小，两帮最大收敛值约为220 mm，其中，右帮最大变形量约为80 mm，左帮最大变形量约为140 mm.

图2 切眼一次成巷方式下围岩变形情况图

2.2 切眼二次成巷的数值模拟

结合西曲矿的生产条件，模拟先掘3.5 m后扩帮3.5 m、先掘4.5 m后扩帮2.5 m、先掘5.5 m后扩帮1.5 m 3种方式下切眼二次成巷情况。3种方式下围岩变形情况见图3，4，5. 围岩变形量见表1.

图3 切眼先掘3.5 m后扩刷成巷时围岩变形情况图

图4 切眼先掘4.5 m后扩刷成巷时围岩变形情况图

分析模拟结果数据可知，先导硐再扩帮的成巷方式，围岩变形量比一次掘进成巷明显减小。成巷方式采用先掘5.5 m后扩刷1.5 m时，由于最开始跨度较大，开挖引起的二次扰动破坏程度也相对较大，围岩变形量大，顶板不易控制，安装综采设备时有可能需要大范围的维修巷道，成本增加，影响工作面安装工期，安装效率不高。当成巷方式采用先掘3.5 m后扩刷3.5 m时，虽然较先掘5.5 m的成巷方式扰动破坏小，且围岩变形量也有所减小，但是考虑扩帮3.5 m期间，顶板受扰动破坏程度会比扩帮1.5 m的大很多，不利于工作面顶板的支护。而先掘4.5 m后扩帮2.5 m的方案，开挖时，顶底板及两帮所受的再次扰动破坏相较其他两种方式程度最小，更有利于工作面综采设备的安装。