任晉娟

(山西高河能源有限公司，山西 長治 046102)

我國煤炭資源豐富，煤炭?jī)?chǔ)量位居世界第一，是我國能源儲(chǔ)量的主體。少油、少氣的現(xiàn)狀致使煤炭一直是能源消耗的主體。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國約80%的掘進(jìn)作業(yè)在煤層中，由于煤層巖性較軟，使得掘進(jìn)工作面巷道極易發(fā)生較大幅度的變形，嚴(yán)重威脅著礦山的正常生產(chǎn)。巷道支護(hù)對(duì)于煤層開采來說是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，充分發(fā)揮支護(hù)的作用能夠有效地降低圍巖變形[1-2]。目前，不同礦井采用的錨桿支護(hù)方法不同，基于圍巖分類以及經(jīng)驗(yàn)計(jì)算得到的錨桿支護(hù)方法、基于理論計(jì)算方法得到的錨桿支護(hù)方法以及以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)得到的錨桿支護(hù)方法各有其適用性。但經(jīng)過實(shí)踐證明，單獨(dú)使用一項(xiàng)方法并不能達(dá)到理想的支護(hù)效果，此前孫守孝[3]為解決巷道支護(hù)密度大，支護(hù)成本高的問題，通過理論計(jì)算對(duì)錨桿、錨索間排距進(jìn)行優(yōu)化，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)在降低支護(hù)成本的同時(shí)巷道穩(wěn)定。侯興[4]為保障近距離下煤層巷道的穩(wěn)定，采用“高強(qiáng)度、高預(yù)緊力錨桿”對(duì)巷道圍巖進(jìn)行控制支護(hù)。本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行研究，給出了巷道的支護(hù)方案，為礦井安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 數(shù)值模擬分析

不同支護(hù)參數(shù)下應(yīng)力場(chǎng)的分布以及計(jì)算通過數(shù)值模擬軟件實(shí)現(xiàn)，對(duì)不同錨桿錨固方式下的圍巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 為不同錨桿錨固應(yīng)力場(chǎng)分布云圖，從圖中可以看出支護(hù)方式不同，應(yīng)力場(chǎng)分布云圖差異明顯。采用端部錨固支護(hù)時(shí)，錨桿的作用范圍較廣，但是錨桿自由段中間位置應(yīng)力較??；當(dāng)采用加長錨固時(shí)，此時(shí)的錨桿預(yù)應(yīng)力作用范圍較端部錨固有了明顯的減小，但應(yīng)力區(qū)域的厚度有所增大；采用全長錨桿支護(hù)時(shí)，錨桿的作用范圍較小，因此造成壓應(yīng)力范圍的厚度較小。對(duì)比可以看出，全長錨固和加長錨固兩種方式下的錨固效果都不如端部錨固方式。當(dāng)樹脂錨固劑固化后，適當(dāng)提高預(yù)應(yīng)力可以明顯改善全長錨固和加長錨固錨桿的支護(hù)效果。通過采用這種結(jié)構(gòu)，可適當(dāng)減少錨桿長度。

圖1 不同錨桿錨固應(yīng)力場(chǎng)分布云圖

對(duì)不同錨桿錨固應(yīng)力場(chǎng)分布云圖進(jìn)行模擬，得到圖2所示的結(jié)果。

圖2 不同錨桿錨固應(yīng)力場(chǎng)分布云圖

從模擬圖中可以看出，不同頂板角錨桿的角度不同，應(yīng)力場(chǎng)分布有明顯差異，但是又有共同點(diǎn)。當(dāng)角錨桿與中部錨桿形成的應(yīng)力范圍出現(xiàn)疊加區(qū)域時(shí)，頂板處形成分布范圍交廣，厚度較大的應(yīng)力范圍，該范圍可以覆蓋錨固區(qū)的大多數(shù)面積，此時(shí)錨桿支護(hù)效果最好。當(dāng)錨桿角度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)時(shí)，角錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)與中部錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)疊加明顯。從圖2(c)中可以看出，當(dāng)角錨桿角度較大時(shí)，壓應(yīng)力疊加范圍較小，當(dāng)角錨桿角度較小時(shí)，壓應(yīng)力疊加區(qū)域范圍較大，因此可以看出，巷道內(nèi)進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，最好以如圖2(a)中所示呈垂直分布，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)施工需求，確保角度在15°以內(nèi)。錨桿和毛筍支護(hù)下應(yīng)力場(chǎng)分布云圖類似，因此用同樣的方法確定錨索的參數(shù)。一般而言，考慮到支護(hù)效果，應(yīng)該綜合考慮錨索的長度、直徑、強(qiáng)度以及預(yù)應(yīng)力等參數(shù)，高預(yù)應(yīng)力可以有效控制圍巖的受力變形，因此支護(hù)效果更佳。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)研究

為了保證巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性以及有效性，規(guī)定以下設(shè)計(jì)原則：

1) 一次支護(hù)原則。為了避免反復(fù)支護(hù)造成的巖體裂隙發(fā)育，因此需要盡量保證一次支護(hù)，確保一次支護(hù)下就達(dá)到有效控制圍巖變形的目的。一次支護(hù)原則下，不僅實(shí)現(xiàn)了一次性控制圍巖變形的目的，而且確保了巷道、硐室的長期穩(wěn)定性，減少了維修費(fèi)用，確保了安全生產(chǎn)。此外，一次支護(hù)可以將破碎的頂板巖層和完整性良好的巖層連接起來，形成一體、穩(wěn)固的支護(hù)，減少了二次支護(hù)下破碎巖體的裂隙擴(kuò)展發(fā)育，因此一次支護(hù)效果最佳。

2) 高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則。錨桿支護(hù)必須保證足夠的預(yù)應(yīng)力，只有預(yù)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，被動(dòng)支護(hù)才可以轉(zhuǎn)化為主動(dòng)支護(hù)，支護(hù)效果才最佳，高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則需要保證錨桿一定的預(yù)應(yīng)力的同時(shí)，可通過托板、鋼帶等構(gòu)件實(shí)提高錨桿的預(yù)應(yīng)力，擴(kuò)大支護(hù)范圍，提高支護(hù)的整體穩(wěn)定性。

3) “三高一低”原則?！叭咭坏汀痹瓌t是指支護(hù)是需要保證支護(hù)的強(qiáng)度、剛度以及可靠性較高，同時(shí)降低支護(hù)密度。降低支護(hù)密度的同時(shí)保證了支護(hù)強(qiáng)度，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4) 臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則。臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則需要保證支護(hù)的強(qiáng)度的剛度要大于臨界支護(hù)強(qiáng)度的剛度值，才能保證支護(hù)的長期穩(wěn)定性，起到控制圍巖變形破話的目的。

5) 相互匹配原則。錨桿錨索支護(hù)過程中需要確保各個(gè)零件部位相互匹配，實(shí)現(xiàn)時(shí)間與空間上的匹配，最大限度的發(fā)揮各個(gè)零件功能，實(shí)現(xiàn)良好的支護(hù)效果。

6) 可操作性原則。錨桿錨索的尺寸應(yīng)該適應(yīng)巷道參數(shù)，確保在井下可以完成支護(hù)操作，可操作性原則可以提高支護(hù)效率。

對(duì)于石灰?guī)r頂板，屬于一類穩(wěn)定頂板，直接頂板石灰?guī)r厚度2.7 m，原則不用支護(hù)，由于煤層頂板中，兩層石灰?guī)r夾著一層2 m后泥巖，巖性差別較大，變形不協(xié)調(diào)時(shí)，容易頂板巖層產(chǎn)生離層，發(fā)生冒頂，因此原有支護(hù)下采用錨索加強(qiáng)支護(hù)方式。錨索排距參數(shù)確定如下：考慮到頂板的巖石性質(zhì)的不同，以及錨固段的長度等因素，因此采用直徑為15.2 mm、長為7 200 mm的錨索，錨索鉆孔的直徑為28 m，采用“三三”布置，錨索的間排距為1 800 mm×4 000 mm，確保錨桿的錨固力大于200 kN，預(yù)緊力大于120 kN，每根錨桿需要配合使用3個(gè)錨固劑進(jìn)行錨固。

煤柱幫錨桿支護(hù)參數(shù)確定如下：考慮到支護(hù)強(qiáng)度，選擇強(qiáng)度大于335 MPa，長2 000 mm、D18 mm的左旋螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)。錨桿的間排距為800 mm×800 mm，每排各布置3根錨桿，每根錨桿配合使用一個(gè)樹脂錨固劑，為了確保錨桿的支護(hù)強(qiáng)度，錨桿的預(yù)緊力應(yīng)該大于150 N·m，錨固力大于80 kN，與錨桿配合使用 的托板高度需大于36 mm。支護(hù)過程中需要用到網(wǎng)片，網(wǎng)片的規(guī)格如下：網(wǎng)片呈現(xiàn)菱形結(jié)構(gòu)，菱形狀的網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，整個(gè)網(wǎng)長2 700 mm，寬1 000 mm，網(wǎng)片貼著煤壁進(jìn)行安裝，保證搭接長度大于200 mm，同時(shí)用間距為200 mm的鐵絲綁扎進(jìn)行牢固。支護(hù)涉及到的鋼筋梯子梁規(guī)格如下：鋼筋梯子梁的直徑為14 mm，寬度為80 mm，長度為2.4 m，采用圓鋼加工而成。

工作面幫支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：工作幫的錨桿選擇強(qiáng)度大于335 MPa，長2 000 mm、D18 mm的左旋螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)。錨桿的間排距為800 mm×800 mm，每排各布置3根錨桿，每根錨桿配合使用一個(gè)樹脂錨固劑，為了確保錨桿的支護(hù)強(qiáng)度，錨桿的預(yù)緊力應(yīng)該大于150 N·m，錨固力大于80 kN，與錨桿配合使用 的托板高度需大于36 mm。與錨桿相匹配的螺母型號(hào)為M20，與螺母匹配的托盤尺寸為120 mm×120 mm×10 mm，托盤的鋼號(hào)為Q235，同時(shí)需確保其高度大于36 mm。頂板支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 巷道頂板支護(hù)示意

3 結(jié) 語

1) 通過數(shù)值模擬軟件得到了不同錨桿錨固方式下的應(yīng)力場(chǎng)分布圖，發(fā)現(xiàn)不同錨固方式下圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布大不相同，需根據(jù)自身要求進(jìn)行選定。

2) 利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同頂板角下應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，結(jié)合施工需要，提出最佳的頂板角不應(yīng)超過15°。

3) 綜合分析數(shù)值模擬結(jié)果以及實(shí)際地質(zhì)情況，確定了加強(qiáng)支護(hù)方案，確保了安全回采工作的順利進(jìn)行。