薛潤根，陰永生

(山西西山煤電股份公司馬蘭礦，山西 古交 030205)

近年來，隨著礦井生產(chǎn)能力的逐年增加，瓦斯抽采壓力越來越大，采掘接替越來越緊。提高煤巷掘進速度對緩解采掘接替、實現(xiàn)減人提效、落實抽采達標、建設(shè)本質(zhì)安全型礦井具有重大意義。西山煤電股份公司馬蘭礦通過推廣綜合機械化掘進機煤巷全錨支護技術(shù)來提高煤巷單進水平，根據(jù)跟班調(diào)查的工序時間，支護占一個循環(huán)作業(yè)的大部分時間，約50% ～67%。所以，合理的支護設(shè)計有助于減少人力和材料的浪費，減輕工人勞動強度，提高時間利用率，提高掘進速度。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，僅用一種方法一個公式計算，很難得出合理的支護參數(shù)，需要利用計算機輔助設(shè)計，因此，該礦同中國礦業(yè)大學(xué)(北京)合作，采用FLAC3D軟件對南五采區(qū)10503工作面巷道支護參數(shù)進行數(shù)值模擬，有效地模擬煤巷周圍的巖層條件，對理論計算的支護設(shè)計進行進一步優(yōu)化。

1 工程概況

煤層賦存情況及頂?shù)装鍘r性特征：

1)煤層特征。

10503工作面所掘煤層為二迭系下統(tǒng)山西組02#煤層，煤層厚度為1．37 ～2．82 m，平均厚度 2．40 m，煤層結(jié)構(gòu) 1．34(0．17)0．89 m，煤層傾角1°～3°，在煤層中部夾一層矸石，厚度0．1～0．22 m，屬穩(wěn)定可采近水平中厚煤層。

2)煤層頂?shù)装迩闆r。老頂為K4砂巖，淺灰色細砂巖，厚4．50 m，含裂隙承壓水，富水性弱。直接頂為深灰色粉砂巖，厚2．77 m，水平層理發(fā)育，夾薄層泥巖。偽頂為灰白色鋁質(zhì)泥巖，厚0．20 m，有滑感，吸水變軟。直接底為淺灰色粉砂巖，厚0．15 m，含少量植物化石。老底為灰色中砂巖，厚2．03 m，鈣質(zhì)膠結(jié)，致密堅硬，上部發(fā)育一薄層粉沙巖。

3)工作面位置及周圍開采情況。

該工作面對應(yīng)地表位于后頭溝下部，玉米溝以東，后頭梁以西，軌道巷在此段上部有一組高壓線路穿過，主要出露地層為Q2+3、N2、P2S2。蓋山厚度397～357 m，平均厚度377 m。

兩巷開口于南五02#煤皮帶下山，軌道巷西南側(cè)間隔26～43 m，下部間隔2．8 m為南五補回風(fēng)巷和南三泄水巷。巷道平面位置圖見圖1。

4)水文地質(zhì)情況。

本工作面02#煤層老頂K4砂巖為承壓裂隙弱含水層，在斷層和節(jié)理發(fā)育地段，頂板會出現(xiàn)淋滴水現(xiàn)象，涌水在工作面迎頭匯集，對掘進有一定影響。

5)掘進方式。

實行全斷面跟底掘進，一掘一支的作業(yè)方式，循環(huán)進度 1．0 m(頂板不完整或遇地質(zhì)構(gòu)造時為0．8 m)。

6)礦壓觀測。

礦壓觀測使用頂板離層指示儀，錨桿錨索測力計，在距巷道開口處10 m安裝第一套，以后在巷道全錨支護段均每隔50 m布置1組，定期觀測并填寫觀測記錄。

2 原支護設(shè)計

2．1 巷道斷面

試驗巷道位于馬蘭煤礦10503工作面專用回風(fēng)巷，巷道沿02#煤底板掘進，全錨支護，巷道斷面矩形斷面，寬為 4 m，高為 2．5 m，凈斷面10 m2。

2．2 支護參數(shù)

圖1 巷道平面位置圖

馬蘭礦專用回風(fēng)巷道頂板采用錨桿+鋼帶+錨索+菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護形式，根據(jù)采區(qū)礦壓觀察，結(jié)合該礦實際情況，10503工作面運輸巷頂錨桿選取型號為d22 mm×2 000 mm的加長錨固樹脂錨桿，頂板每排支護5根錨桿，錨桿間排距900 mm×1 000 mm，呈“五·五”排矩形布置，在兩排頂錨桿中間打入一對錨索，錨索長度5．3 m，間距2．4 m，排距3 m;鋼帶長度3．8 m;金屬菱形頂網(wǎng)規(guī)格為長×寬=3 200 mm×2 200 mm。

10503工作面專用回風(fēng)巷道幫錨桿選取型號為d20 mm×2 000 mm的端頭錨固樹脂錨桿+金屬菱形網(wǎng)+W托盤支護，間排為1 000 mm×1 000 mm，上排錨桿距頂板500 mm，其左幫、右?guī)途贾?根，具體支護見圖2。

圖2 原支護設(shè)計示意圖

3 支護參數(shù)優(yōu)化

以往主要是依據(jù)懸吊理論、組合拱理論或普式拱理論，采用工程類比法和計算公式法。根據(jù)原作業(yè)規(guī)程的支護設(shè)計，發(fā)現(xiàn)在計算過程中有部分參數(shù)選擇不恰當，該礦進行了改正，除了常規(guī)的理論計算，還利用國際著名巖土工程軟件FLAC進行數(shù)值模擬計算，對原方案進行優(yōu)化，通過大量計算和比選，以選取最佳方案。

該方法主要內(nèi)容為“數(shù)值模擬初始設(shè)計—現(xiàn)場監(jiān)測—利用反饋信息修改設(shè)計”?，F(xiàn)場監(jiān)測非常關(guān)鍵，監(jiān)測取得的數(shù)據(jù)是作為二次修改設(shè)計的依據(jù)，修改設(shè)計后再應(yīng)用于實踐。經(jīng)過不斷地改進支護設(shè)計，使錨桿支護更為經(jīng)濟、合理。在選定設(shè)計方法之后，還要根據(jù)不同的頂板巖性及地質(zhì)構(gòu)造特點，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，為快速掘進提供技術(shù)依據(jù)。

3．1 數(shù)值模型的建立

3．1．1 網(wǎng)格的生成

結(jié)構(gòu)模型寬度、高度、進深均取30 m。網(wǎng)格按巖層分區(qū)劃分，并且為不均勻劃分。坐標原點取在模型的中心位置，z軸向上，x軸向右，y軸指向進深。采用應(yīng)力邊界條件，模型的上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力，模型兩側(cè)面施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力，模型下表面固定。采用程序內(nèi)嵌的結(jié)構(gòu)單元模擬各種支護構(gòu)件。模型巖層分布示意圖見圖3。

圖3 數(shù)值模擬模型示意圖

巷道全斷面一次開挖，按具體方案的進尺開挖，分10次掘進完成。開挖通過對所開挖區(qū)段位移指定零模型實現(xiàn)。觀測斷面有3個，分別位于進深y=1．5，4．5，7．5，在每個觀測斷面上，頂?shù)装搴蜕舷聨途乇┞堕L度設(shè)20個監(jiān)測點。

3．2 支護模擬結(jié)果

利用FLAC3D進行數(shù)值模擬，從位移場、應(yīng)變場和塑性區(qū)擴展趨勢3個方面分析巷道周邊巖層的力學(xué)響應(yīng)情況，煤層回采巷道中各支護構(gòu)件在控制圍巖變形方面的作用，提出了巷道的最佳支護方案。方案變形量對比表見表1。

表1 方案變形量對比表

據(jù)計算結(jié)果，頂板下沉量增加3．97%;左幫變形量減少4．0%，右?guī)妥冃瘟繙p少2．46%，底板變形量增加4．66%。巷道變形量變化示意圖見圖4。原方案巷道圍巖變形及剪切區(qū)分布示意圖見圖5。優(yōu)化方案巷道圍巖變形及剪切區(qū)分布示意圖見圖6。

3．1．2 開挖與支護方式

3．3 最優(yōu)方案

通過對各個可行方案的比選，最終決定采用如下方案，見圖7。頂板支護由原來的3 m 1對錨索，改為3 m 1根，并用錨索替代中間眼位的錨桿，頂板角錨桿向外傾斜15°，幫部上排錨桿上傾15°，其他均同原支護參數(shù)，錨桿錨索規(guī)格不變。根據(jù)計算結(jié)果，巷道的變形量均處于安全范疇。

圖7 優(yōu)化方案支護設(shè)計圖

4 試驗效果

從2009年8月支護方案制定后，該礦分別于2009年10月7日、2010年1月25～26日進行了兩次試驗調(diào)查，檢查了10503工作面試驗巷道的變形大小并選取了3個支護斷面長期觀察，分別是881 m處斷面、932 m處斷面和1 018 m處斷面，監(jiān)測斷面示意圖見圖8。巷道頂?shù)装宄两导皟蓭褪諗恳姳?。顯然，優(yōu)化后的支護方案既經(jīng)濟又安全，與原支護參數(shù)相比，巷道變形很小，支護效果良好。煤巷掘進進尺由原來的平均每月472 m，提高到7月500 m，8月531 m(全月掘進30天，半煤巖6 m，全巖2 m)，9月523 m(全月掘進29天，半煤巖巷20m，全巖8m)，10月510 m，11月613 m，12月613 m。其中，2010年1月11日夜班完成11排支護，即進尺11 m，取得了班

組進尺新高。

圖8 監(jiān)測斷面示意圖

表2 位移觀測表

5 經(jīng)濟效益分析

5．1 直接經(jīng)濟效益

1)節(jié)約鉆頭費用。

按平均打5個孔損壞1只鉆頭計算，每米節(jié)約鉆頭0．2個，則節(jié)約鉆頭費用為：1/5×21元/個 =3．15 元。

2)節(jié)約鉆桿費用。

按平均每打50個孔消耗1根B19的2．4 m長的六角釬桿計算，鉆桿單價68元/m，則節(jié)約鉆桿費：1/50×194．4 元/根 =3．9 元。

3)節(jié)約錨桿(索)支護材料費。

每米巷道平均少打1．5根頂錨索，1/3根幫錨索，減少的錨索由錨桿代替，錨桿單價50元/套，錨索單價150元/套，則節(jié)約費用(150－50)×(1．5+1/3)≈183．3 元/m。

4)降低的直接人工費。

按日進尺比原來提高3．0 m，每班12人，日出勤36人，按每工費140元考慮，則每米巷道節(jié)約人工費：36×140×(1/12－1/15)=84．0元。

5)每米節(jié)約總費用。

3．15 元 +3．90 元 +183．3 元 +84 元 =274．35 元/m。

5．2 間接經(jīng)濟效益

按每個施工隊日進尺比原來提高3．0 m，年施工11個月計算，每年可增新掘巷道990 m，馬蘭礦目前共有5個掘進隊，每年可新增掘進巷道4 950 m。

通過支護參數(shù)的優(yōu)化，明顯提高了煤巷的掘進速度，緩解了煤礦采掘緊張的嚴重局面;煤巷的支護系統(tǒng)更加合理，巷道整體穩(wěn)定性提高，不僅降低了巷道支護的成本，而且創(chuàng)造了安全的工作環(huán)境，防止安全事故的發(fā)生。

6 結(jié)論

采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，能夠有效地模擬煤巷周圍的巖層條件，對理論計算的支護設(shè)計進行進一步優(yōu)化。在模擬過程中發(fā)現(xiàn)一些小的改動也能很好的改善支護效果，如頂板角錨桿向外傾15°，兩幫上排錨桿向上傾15°等均能改善支護效果，明確支護的重點位置及頂板、兩幫錨桿錨索的方向。合理的支護設(shè)計有助于減少人力和材料的浪費，減輕工人勞動強度，提高時間利用率，提高掘進速度。

煤巷支護參數(shù)的優(yōu)化，減輕了工人勞動強度，節(jié)約了工時，提高了施工工效，實現(xiàn)了煤巷的快速掘進，有效緩解了馬蘭礦較為緊張的銜接狀況。煤巷快速掘進實現(xiàn)了安全、經(jīng)濟、高效的目標，提高了工作效率、降低了材料消耗，為巷道快速掘進、降低成本開辟了一條新的技術(shù)途徑。