钻场大断面锚索加强支护效果分析

2020-07-03张学锋

煤 2020年6期

张学锋

(潞安环能股份公司常村煤矿，山西长治 046102)

常村煤矿为高瓦斯矿井，分上下水平开采，520水平逐步枯竭，470下水平工作面掘进时瓦斯涌出量较大，必须配套瓦斯钻场及瓦斯抽放系统。和普通巷道尺寸相比较，大断面瓦斯抽放钻场具有巷道跨度大、采掘扰动影响范围广、顶板离层下沉等特点，巷道围岩稳定性普遍较差，特别需要加强支护控制。本文采用FLAC3D三维数值模型对常村煤矿470水平22采区2201轨道巷钻场进行了模拟分析。

1 工程背景

2201工作面位于470水平22采区，工作面倾向长260 m，走向长1 010 m，工作面标高为440～460 m，属于近水平工作面，煤层厚度为5.95～7.30 m，平均厚度为6.65 m，局部含夹矸一层，平均厚度为0.33 m，开采方式为走向长壁后退式综采放顶煤采煤法。巷道内瓦斯抽采钻场采用迈步式布置，间隔60 m，断面为不规则梯形，外宽8 m、里宽4 m、深4 m，钻场与巷道中线呈45度外偏角抹角，高度同掘进巷道一致。支护方式为全锚支护，巷道采用“小五花”布置，排距1 m；钻场内每排2根，排距1 m。为了分析锚索的支护效果，以2201工作面轨道巷钻场为研究对象，采用FLAC3D软件建立了如图1 所示的三维数值模型，分析瓦斯抽放钻场掘进过程中围岩应力和变形情况。

2 钻场掘进过程中围岩应力变化规律

钻场开挖后，其形成的围岩最大主应力分布云图如图2所示。从图中可以看出，围岩受到钻场开挖二次扰动后，应力最大值达到14.143 MPa,顶板应力扰动范围达到16 m。同时，靠近钻场一侧的帮围岩内的集中应力距离巷道表面减少为3.6 m。说明，钻场开挖后，围岩应力扰动范围扩大，致使巷道浅部围岩变形量显著增加。

图1 2201轨道巷钻场模型

图2 钻场形成后围岩应力分布云图

3 钻场掘进过程中围岩位移变形规律

钻场开挖后，其形成的围岩位移分布云图如图3 所示。从图中可以看出，开挖钻场一侧的帮部围岩变形量最大为272.7 mm，顶板围岩最大下沉量为180 mm，出现在整个巷道跨度中间4.5 m的位置。同时，顶板深部岩层离层量增加至30 mm。以此可以看出，钻场掘进过程中产生的二次扰动会影响巷道围岩稳定性，尤其是轨道巷整体跨度增加至9 m后，顶部岩层的弯曲下沉量和内部离层会加快；同时巷道围岩应力重新分布的整个过程也会对钻场围岩稳定性产生显著影响，这就必须对钻场及其周边进行加强支护。

图3 钻场形成后围岩位移分布云图

4 钻场加强支护

钻场开挖后，为保持围岩稳定性，需加强钻场顶板和三帮支护，对钻场口及前后10 m范围内巷道加强支护，顶帮全部由1 m排距缩为0.9 m排距施工，钻场口及前后5 m在钻场侧每排打设一根D22 mm×7 300 mm锁口锚索，钻场内每排打设两根锚索，同时在巷帮中间位置采用一根锚索隔排打设对巷帮加强支护，锚索规格为D22 mm×4 300 mm的1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，延伸率7%，锚索托板规格为拱高60 mm、300 mm×300 mm×16 mm的高强度可调心托板及其配套锁具。锚固时使用3支中速2350树脂药卷进行锚固，搅拌时间为(40±5)s。锚索预应力不低于250 kN，实行超涨拉，初次涨拉不低于300 kN，锚固力不小于300 kN。钻场掘成后在正巷切线上隔排打设一根小头直径不小于200 mm的点柱，并安设综合测站，具体参数如图4 所示。

图4 钻场加强支护平面

5 矿压观测及应用效果分析

为及时观察瓦斯抽放钻场矿压显现和变形情况，在2201轨道巷钻场内布置一个综合测站，测站内包含一个表面位移监测断面、一个顶板离层仪、一个锚索受力监测断面和三个锚杆受力监测断面。巷道掘进时每班对压力情况进行了观测和记录，并对比分析。通过矿压观测结果来看，巷道顶板下沉量在35～65 mm之间，巷帮的位移量在55～95 mm之间，支护效果良好，后期顶板稳定，保证了采掘期间的顶板安全。