浅埋煤层回采巷道支护参数优化

2021-10-13高凤伟张志佳

山西焦煤科技 2021年8期

高凤伟，张志佳

(晋能控股煤业集团赵庄煤业有限责任公司，山西长治 046600)

浅埋深煤层由于其特殊的赋存条件，矿压显现具有如下特征：工作面来压步距小，来压强烈；工作面煤炭采出后顶板基岩沿全厚切落，基岩冒落角较大，冒落直接波及地表，采空区上覆岩层基本上分“两带”即冒落带和裂隙带；来压的主要特征是顶板沿煤壁产生切落并出现台阶下沉。其矿压特征受诸多因素的影响，如地表松散层厚度、基岩层厚度、地表地形、上覆岩层性质等客观地质因素和采高、推进速度等主观可控因素。

因此，根据浅埋煤层的赋存条件和矿压显现特征，研究巷道顶板受力状态和主控因素，以优化回采巷道支护设计参数，在确保安全生产的条件下，降低工人的劳动强度和巷道每米掘进的工作量，提高巷道的掘进效率。

1 工程概况

某矿井15号煤层位于太原组一段顶部，泥岩之下，地面标高为+635.00～+550.00 m，埋深为85.00～180.00 m，煤层厚1.40～3.40 m，平均厚2.80 m，煤层结构简单，一般含0～2层矸石，矸石成分多为炭质泥岩或灰黑色泥岩。其直接顶为泥岩，基本顶为K2灰岩；底板多为灰黑色泥岩，见表1.

表1 15#煤层顶底板情况表

15号煤层工作面运输顺槽和回风顺槽均设计为矩形断面，掘进宽度为4 200 mm，掘进高度为2 900 mm，掘进断面积为12.18 m2；净宽为4 000 mm，净高为2 800 mm，净断面积为11.2 m2，采用锚网+锚索联合支护，原支护设计根据工程类别法进行，锚杆长2.4 m，间排距0.8 m×0.8 m，锚索长6.3 m，间排距2 m×1.6 m，根据现场观测，巷道围岩无变形，巷道整体支护强度过大，不仅造成支护材料的浪费，而且严重影响了巷道掘进速度。因此，亟需采用现代支护理念进行巷道优化设计。

2 巷道顶板力学模型的建立与分析

回采巷道在锚网索联合支护作用下，巷道顶板支护结构控顶范围内岩层可看作梁结构，考虑到岩层的岩性和构造特点，可用弹塑性理论求解。因此运用Timoshenko梁理论计算，建立锚杆(索)支护条件下梁的载荷力学计算模型，见图1，图中竖向均布荷载为q，不同锚网索施加在顶板岩梁的集中载荷分别为p1、p2、p3、p4和p5，与集中力相对应的符号ξ1、ξ2、ξ3、ξ4和ξ5分别是该力作用于梁上点在X轴向上的坐标值。根据研究对象自身结构和受力条件的对称性特点，定义边界力为Q0和M0，依据不同载荷展开计算。

图1 巷道顶板围岩结构力学模型图

假设巷道顶板承受均布荷载q和集中力(p1、p2和p3)共同作用时，根据Timoshenko梁的平衡方程，则数学表达式为：

在巷道中采用锚网索支护控制顶板岩层，除了应考虑上面关于对梁结构变形的计算外，还应考虑梁两端岩体自身抗拉(或剪)破坏的能力。根据梁结构和载荷的对称性，可求得梁两端的支承反力R即：

通过上述计算分析表明：

1) 在锚网索支护下，集中载荷p2的主要作用是控制顶板弯曲下沉，当p2值增大时顶板下沉量减少，集中载荷p1和p3对顶板变形的影响，要考虑载荷大小和载荷作用点位置这两方面的因素。

2) 似连续体短梁两端作用在两帮的支承反力随l和q的增大而增大，但随集中载荷p1、p2、p3和p4的增大而减小。

因此，设计锚网索支护方案必须考虑支护强度(或密度)和锚杆(索)布置方式两方面因素。

3 数值模拟计算与分析

1) 计算模型及参数设定。

15号煤层回采巷道在地层中所处最深处约150 m，地应力边界条件根据实际测量结果进行施加，垂直应力3.75 MPa，水平应力设置2.5 MPa，选用Mohr-Coulomb本构模型，模型采用cable单元模拟锚杆和锚索。模拟支护设计方案见表2.

表2 支护设计方案参数表

2) 数值模拟计算与分析。

数值模拟计算见图2,图3,图4. 方案一回采巷道顶板最大下沉量为57 mm，最大底鼓量为60 mm，两帮最大水平位移量为56 mm；方案二回采巷道顶板最大下沉量为134 mm，最大底鼓量为122 mm，巷帮最大水平位移量为142 mm，即两帮最大移近量为284 mm，巷道变形量在允许范围内，能够满足巷道使用用途和安全性；方案三回采巷道顶板最大下沉量为207 mm，最大底鼓量为162 mm，巷帮最大水平位移量为202 mm，即两帮最大移近量为404 mm，巷道变形量超出了允许范围，不能够满足巷道安全使用。

图2 支护方案计算模型图

图3 支护方案垂直位移云图

图4 支护方案水平位移云图

根据煤矿回采巷道围岩变形量要求，顶底板及两帮移近量不大于300 mm，并考虑经济、掘进速度及服务时间等影响因素，最终确定采用方案二作为回采巷道支护设计方案。

4 现场应用及支护效果评价

1) 监测方案。

回采巷道支护参数优化后锚杆(索)受力监测断面设备布置见图5，在监测断面布置了8根测力锚杆，2个锚索测力计。

图5 巷道监测断面布置图

2) 监测数据分析。

a) 测力锚杆各测点的受力大小不一，受力范围为33.5～65.3 kN，最大值出现在顶板11号和12号测力锚杆，11号锚杆最大值出现在测点六位置，为61.5 kN，较初始值36.0 kN增加了70.83%；12号锚杆最大值出现在测点六位置，为65.3 kN，较初始值43.9 kN增加了48.75%，增加幅度较大，见图6.