不同断面巷道支护设计及现场应用
2021-06-15黄炜伟
黄炜伟
(潞安环保能源开发股份有限公司 漳村煤矿,山西 长治 046000)
合理的巷道支护布置方式是保证巷道安全的前提[1-3]。只有巷道围岩结构完整性较高、收敛位移量较小时,巷道才能够较好的完成行人、运输、通风等作业要求[4-11]。本文以漳村煤矿480大巷支护为背景,对不同巷道断面进行合理的锚杆索间排距布置选择。通过数值模拟对巷道位移量、应力分布及塑性区扩展情况进行分析,并结合现场钻孔窥视探测,验证巷道支护设计的合理性,为相似地质条件断面巷道支护提供依据。
1 巷道围岩地质概况
山西潞安集团漳村煤矿现需掘进480水平大巷,大巷共涉及三种断面:480材料大巷、480回风大巷以及480联络巷,其中480材料大巷断面为5.4 m×3.7 m(宽×高)矩形,掘进断面积为21.46 m2;480回风大巷断面为5.8 m×4 m(宽×高)矩形,掘进断面积为23.2 m2;480联络巷断面为4.4 m×3.6 m(宽×高)矩形,掘进断面积为15.84 m2。
巷道所在煤层属二叠系下统山西组下部的三号煤层,煤层赋存稳定,煤厚变异较小,煤层结构较简单,厚度变化不大;煤层厚度5.45~6.03 m,平均厚度5.69 m,煤层埋深500~530 m。煤层直接顶岩性为泥岩,厚度0.65~8.2 m,平均厚度2.62 m,黑色块状,泥质结构,断口光滑,含植物化石,局部顶板为砂质泥岩;老顶岩性为粉砂岩,厚度7.77~11.83 m,平均厚度9.22 m,灰黑色,厚层状,粉粒结构,局部为砂质泥岩;直接底岩性为砂质泥岩,厚度3.19~4.04 m,平均厚度3.46 m,灰黑色,块状,断口较平坦,含植物化石,局部底板为泥质结构;老底岩性为细粒砂岩,厚度2.45~9.98 m,平均厚度5.67 m,灰色,中厚层状,成分以石英长石为主,夹有泥质条带,含少量粉砂岩。巷道埋深在400~450 m之间,根据该区域地应力探测结果可知:巷道的垂直应力在10.5~12.3 MPa之间,侧压力系数为1.03~1.15之间,平均约为1.1。根据实验室试验得到480大巷围岩力学参数,如表1所示。
表1 岩石物理力学参数
2 不同断面巷道支护设计及分析
2.1 巷道锚杆索支护设计
480材料大巷支护设计:材料大巷断面为5.4 m×3.7 m(宽×高),巷道顶板锚杆采用等间距布置,每排6根,排距1 000 mm,间距950 mm,两肩角锚杆分距巷帮325 mm,锚索采用“3-2-3”形式布置,“3”为隔排锚杆架间巷中及两侧1 600 mm处各布置1根锚索,间距1 600 mm,“2”为隔排锚杆架间巷中两侧800 mm处各布置1根锚索,间距1 600 mm;两帮支护形式,锚杆等间距布置,每帮每排4根,间距1 000 mm,排距1 000 mm;帮上、下部锚杆分距顶、底板300 mm、400 mm。
480回风大巷支护设计:回风大巷断面为5.8 m×4 m(宽×高),巷道顶板锚杆采用等间距布置,每排等间距布置7根,间距900 mm,排距1 000 mm,两肩角锚杆分距巷帮200 mm,锚索采用“3-2-3”布置,“3”为锚杆架间巷中及两侧1 600 mm处各布置一根锚索,间距1 600 mm,“2”为锚杆架间巷中两侧800 mm处各布置一根锚索,间距1 600 mm。两帮支护每排等间距布置5根,间距850 mm,排距1 000 mm;帮上部锚杆距顶板300 mm、下部锚杆距底板为300 mm。
480联络巷道支护设计:巷道断面为4.4 m×3.6 m(宽×高),巷道顶板锚杆采用等间距布置,每排5根,排距1 000 mm,间距1 000 mm,两肩角锚杆分距巷帮200 mm,锚索采用“2-1-2”形式布置,“1”为锚杆架间巷中,“2”为锚杆架间巷中两侧900 mm处各布置1根锚索,间距1 000 mm。两帮支护每帮每排等间距布置4根,间距1 000 mm,排距1 000 mm;帮上部锚杆距顶板300 mm,下部锚杆距底板为300 mm。
2.2 不同断面巷道支护设计数值模拟分析
巷道支护形式按照设计进行打设,用Cable单元模拟巷道锚杆,并施加预紧力,用Shell单元模拟巷道的锚网,建立的巷道模型如图1所示。
图1 巷道锚网索支护布置
2.2.1 巷道位移分析
图2~图4分别为480材料大巷、480回风大巷和联络巷的围岩位移情况。
图4 480联络巷围岩位移
图2 480材料大巷围岩位移
图2中可以看出:巷道变形最大值在巷道中部位置,变形最大值为1.64 cm,顶底板的最大值在巷道顶底板中部,底板变形略大于顶板,最大变形为1.88 cm。在目前巷道支护形式下,巷道收缩变形较小,收缩率在0.6%左右。
图3可以看出:巷道变形最大值在巷道中部位置,变形最大值为1.73 cm,顶底板的最大值在巷道顶底板中部,底板变形略大于顶板,最大变形为1.45 cm。在目前巷道支护形式下,巷道收缩变形较小,收缩率在0.59%左右,支护对巷道有良好的控制作用。
图3 480回风大巷围岩位移
图4可以看出:巷道变形最大值在巷道中部位置,变形最大值为1.41 cm,顶底板的最大值在巷道顶底板中部,底板变形略大于顶板,最大变形为1.69 cm。在目前巷道支护形式下,巷道收缩变形较小,收缩率在0.705%左右,支护对巷道有良好的控制作用。
2.2.2 围岩塑性区扩展
提取三种巷道断面的围岩塑性区发育情况如图5所示。
图5 巷道围岩塑性区
图5可以看出:三种巷道断面的塑性区发育都比较小,其中480材料大巷两帮中部塑性区最大为1.5 m,顶板塑性区深度为0.6 m,底板为1.6 m。480回风大巷两帮中部塑性区最大为1.5 m,顶板塑性区深度为0.9 m,底板为1.7 m,顶板塑性区深度最小,小于底板,都在锚杆的锚固区范围内,锚杆锚固在稳定层位内。480联络巷两帮塑性区最大为1.5 m,顶板塑性区深度为0.9 m,底板为1.6 m,顶板塑性区深度最小,小于底板,三条巷道的围岩塑性区发育都在锚杆的锚固区范围内,锚杆和锚索都锚固在稳定层位内。
三种不同断面巷道采用不同支护形式的数值模拟结果显示,巷道在设计支护形式下变形收缩较小,收缩率基本控制在小于1%,巷道塑性区较小,小于锚杆锚固位置,锚杆锚固在稳定层位中,巷道顶板塑性区较小,小于1 m,说明锚索加强支护具有良好的主动支护作用,使顶板处于稳定状态中。
3 实施效果考察
针对现场支护方式的实施效果,在3段巷道内部进行钻孔窥视,探测巷道围岩内部裂隙发育范围,钻孔窥视图如图6~图8所示。
图8 480联络巷钻孔窥视
图6 480材料大巷钻孔窥视
480材料大巷钻孔窥视图可以看出:煤柱内部裂隙多为垂向,为明显的压裂裂隙,煤柱内部0~1.2 m处于破碎区,大裂缝分布密集;1.2~1.5 m处有微裂隙,完整性有一定提升;大于1.5 m煤柱较为完整,密实性较好。巷道顶板0~1.1 m有裂隙,其中0.5 m处较为破碎,大于1.1 m深度顶板完整性较高,锚杆、锚索锚固范围在完整区域内。
图7 480回风大巷钻孔窥视
480回风大巷煤柱内部裂隙发育范围为0~1.2 m,大于1.2 m煤柱密实性较好,0.5 m处煤柱由较大裂缝。巷道顶板0~0.9 m有裂隙,大于0.9 m深度顶板完整性较高,锚杆、锚索锚固范围在完整区域内。
480联络巷煤柱内部裂隙发育范围为0~1.5 m,大于1.5 m煤柱较为完整,0.5 m处煤柱由较大裂缝。巷道顶板0~1.0 m有裂隙,大于1.0 m深度顶板完整性较高,锚杆、锚索锚固范围在完整区域内。
表2 围岩塑性区深度对比
表1 为数值模拟和现场钻孔窥视实测的巷道围岩塑性区发育深度对比情况,可以看出两者对比差距较小,帮部和顶板的监测结果基本一致,显示出了巷道模拟的可靠性以及支护方式设计的合理性。
4 结 语
本文设计三种断面巷道的支护设计以及相应的数值校验过程,通过对巷道支护设计的数值模拟计算得到巷道围岩变形及塑性区发育情况,并在现场进行现场实测,得到数值计算和现场实测两者监测结果较为接近,显示了支护设计的合理性。