深井高地应力软岩巷道底鼓机理及控制技术研究

2024-01-12张鹰

山西化工 2023年12期

张鹰

（山西西山矿业管理公司，山西太原 030053）

0 引言

据我国国家统计局统计可知，我国目前煤炭消耗量占据总消耗量的60%以上，在一次能源的消耗占比更是达到了70%，这无疑可以看出煤炭资源对于我国生产及生活的重要性。随着我国提出可持续发展战略，煤炭资源的开采量逐年降低，但由于其基数较大，在未来很久的时间段内，煤炭资源的开采仍是我国赖以生存的重要依仗。在矿井开采过程中，巷道的稳定性十分重要[1-2]，在回采巷道由于受到多重支撑压力的扰动，使得矿压显现十分复杂，造成巷道的维护难度在增大，所以如何解决回采巷道超前支护的稳定性成为了研究重点。此前众多学者对其支护形式及支护参数优化进行过研究[3]，本文以狼窝渠矿23204 工作面为研究对象，针对其回采巷道超前支护的单体液压支架支护效率低、支护强度大的问题，提出利用注浆锚索代替液压支柱的支护方案，利用数值模拟结合现场实践，验证了支护方案的可行性，为矿井安全高效开采提供依据。

1 矿井概况和数值模拟

狼窝渠矿位于陕西神木西北约55 km 处，井田面积为6.18 km2，设计生产能力为1.2 Mt/a，23204 工作面现采3#煤，煤层厚度2.4～2.88 m，平均厚度2.72 m，工作面地表相对位置位于二采区西部，西部为南北翼瓦斯联络巷，南部为23201 工作面（西部）（未掘进），北部为23201（西部）综采工作面（已回采），东部为本采区西副巷，对应上方为2#煤层工作面采空区。煤层覆存较为稳定且结构接单。煤层厚度3.6～4.6 m，平均厚度为4.2 m，煤层为近水平煤层。随着矿井自动化、智能化采掘技术的不断发展以及矿井巷道支护技术的创新发展，狼窝渠矿为有效控制巷道围岩稳定性设计在23204 工作面运输巷超前段采用注浆锚索替代液压支柱超前支护的方案。煤层顶板及底板岩性特征表如表1 所示。

表1 煤层顶板及底板岩性特征表

在进行开挖时，此时巷道围岩的应力进行重新分布，采用高强度锚索对巷道围岩进行加固，减小煤岩的变形，首先对锚索在考虑地质情况及模拟边界效应的基础上，确定锚岩体的尺寸为20 m×10 m×20 m，对模型进行网格划分，划分采用粗划分的方式，网格尺寸为0.2 m×0.1 m×0.2 m。模型采用摩尔库伦屈服准则，在模型的下及左右边界分别设定固定约束，在模型上端部施加均布荷载，根据埋深计算可得均布荷载为4.5 MPa，完成模型建立，对顶板注浆锚索支护参数进行研究，首先对不同锚索预应力下巷道垂直应力分布情况进行研究，预应力分别为100、150、200 kN，锚索尺寸为Φ21.8 mm×6 200 mm，间排距为1 800 mm×900 mm，模拟云图如图1 所示。

图1 不同锚索预应力下巷道垂直应力分布云图

由图1 分析可知，当锚索预紧力为100 kN 时，巷道顶板会发生行变并将应力传递到整个锚索。并早巷道上覆岩层2.5 m 深度位置产生应力重叠区，直接构成支护承载结构。在锚索的顶底两端、以及巷道底板的压应力集中区未能构成有效的衔接，从而正在此位置的应力值较小，应力没有产生重叠，难以形成有效的承载力，导致巷道围岩控制不稳定。而当锚索预紧力为150 kN 及200 kN 时，此时随着锚索预紧力的释放，顶板深部一定范围内压应力叠加，构成稳定的承载结构。在锚索底端与顶端的压应力形成贯穿，应力叠加效果较好，此时能够有效提升围岩承载能力，支护效果较好。

通过以上分析可知，当给锚索施加的预紧力≥150 kN 时，这个阶段在巷道顶板岩层内会产生预应力的分布，使预紧力与岩层内的预应力形成有效重叠，从而产生应力集中区，降低由于巷道采掘所导致的巷道顶板拉应力破坏。大幅提高巷道围岩的稳定性以及锚岩支护体承载力，改善围岩的受力状态，降低由于巷道顶板变形导致的应力集中问题。

对不同间排距下巷道垂直应力分布进行分析，预紧力为150 kN，间排距分别为1 200 mm×900 mm、1 800 mm×900 mm、1 800 mm×1 800 mm，垂直应力分布云图如图2 所示。

从图2 可以看出，当锚索的间排距为1 200 mm×900 mm 时，此时能在顶板中产生预应力分布，岩层中的预应力得到有效叠加，此时顶板岩层整体处于压应力区；而当锚索间排距增大至1 800 mm×900 mm 时，此时岩层中的预应力能够有效叠加，同样在顶板形成压应力区，此时产生的压应力区未见明显缩减，巷道开挖后顶板的拉应力破坏状态得到改变。锚岩支护体承载结构支护效果较好，巷道围岩的承载能力大幅提升，同时减轻了顶板弯曲下沉对于煤柱体的影响，有效保证了巷道稳定性。当间排距扩大到1 800 mm×1 800 mm 时，锚索两段间的有效压应力区有了一定的减弱，对围岩的锚固作用降低。所以确定最佳锚索间排距为1 800 mm×900 mm。

2 工业化实践

对注浆锚索支护方案进行工业化试验，运输巷道的净断面尺寸为4 200 mm×4 000 mm，在原有支护方案的基础上，利用注浆锚索代替单体液压支柱，使用1×8 股的注浆锚索对巷道进行支护，锚索的尺寸为Φ21.8 mm×6 200 mm，间排距为1 800 mm×900 mm。并用厚度为3 mm，长度2 400 mm 的W 形钢带对注浆锚索进行衔接，每跟锚索采用1 卷MSK2350 树脂锚固剂进行锚固，并给锚索的施加150 kN 的预紧力，锚索的托盘使用300 mm×300 mm×16 mm 的鼓形托盘。在超前工作面30～50 m 的位置进行锚索注浆支护，注浆压力小于5 MPa。注浆锚索超前支护示意图如图3 所示。

图3 注浆锚索超前支护示意图（单位：mm）

如图3 所示，在阶段I 的位置使用注浆锚索搭配单体液压支柱进行超前联合支护。单体液压支柱每排三根，间排距1 200 mm×2 700 mm。在阶段II 的范围内同样采用单体液压支柱和注浆锚索联合的超前支护形式。单体液压支柱的间排距设定为1 800 mm×2 700 mm。阶段III 同样为单体液压支柱与注浆锚索。液压支柱的间排距为2 700 mm×2 700 mm。阶段Ⅳ的范围内取消单体支柱，单排2 根注浆锚索补强支护，每排锚索2 根。对注浆锚索的受力进行监测，锚索受力曲线如图4 所示。

图4 注浆锚索超前支护示意图

如图4 所示，在测站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ超前支护段，在距离回采面约40 m 的范围内时，受到采动的影响，使得Ⅰ号测站的1#和2#注浆锚索应力有所增大，两者分别由64 kN 和82 kN 增长到69 kN 和89 kN。Ⅱ号测站的1#注浆锚索呈现稳定状态，维持在70 kN，而2#注浆锚索的应力由76 kN 增长至78kN。Ⅲ测站的1#和2#注浆锚索应力几乎不变，分别保持在70 kN和75 kN。对于Ⅳ号测站来说，在距回采面200～50 m的范围时，1#和2#注浆锚索应力保持基本稳定，而在距回采面30 m 时，此时Ⅳ测站的1#和2#注浆锚索受力分别增大至81 kN 和92 kN，其中1#液压枕的轴向载荷发生下降趋势，这类现象是由于巷道表面的矸石受锚索与托盘的作用从而发生破碎，使得应力释放导致。可以看出，注浆锚索受力一直处理安全的范围内，受力最大值不超过100 kN，可以满足矿井开采的需求，注浆锚索超前支撑方案可行。