霍丙坤

（山西中煤華利鐵新煤業(yè)有限公司，山西靈石031302）

隨著煤炭資源開(kāi)采深度的增加，很多礦井的開(kāi)采深度已經(jīng)超過(guò)500m，礦壓增大、巷道穩(wěn)定性差的問(wèn)題日益嚴(yán)重[1-2]。如何加強(qiáng)巷道的支護(hù)工作，使得企業(yè)更加高效、安全地對(duì)煤炭資源進(jìn)行開(kāi)采，成為了行業(yè)內(nèi)不得不面對(duì)的問(wèn)題[3]。

1 工程概況

山西中煤華利鐵新煤業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)鐵新煤礦）位于山西靈石兩渡鎮(zhèn)，目前開(kāi)采2#煤層。主采工作面為2118工作面，位于+555水平2號(hào)煤一采區(qū)，工作面傾向長(zhǎng)度160m/149m，走向長(zhǎng)度145m/341m，采用一次采全高走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤，除斷層影響外，無(wú)特殊影響因素。

目前2118材料巷揭露2條斷層，遇斷層時(shí)巷道頂板會(huì)出現(xiàn)有滴淋水現(xiàn)象，為滿足巷道運(yùn)輸、行人、通風(fēng)等需求，需要對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效控制并制定安全有效的支護(hù)措施。

2 數(shù)值模擬

為準(zhǔn)確分析鐵新煤礦2118材料巷在未進(jìn)行支護(hù)下，圍巖變形規(guī)律及破壞特征的情況，本文將采用專(zhuān)業(yè)的巖土工程模擬軟件FLAC 4.0進(jìn)行巷道物理模型的建立與計(jì)算。

物理模型網(wǎng)格建立：選取巷道斷面面積：5.0m×3.8m，共劃分33600個(gè)單元（網(wǎng)格橫縱數(shù)量：240×140）。

邊界條件設(shè)置：將模型上表面、左右側(cè)及下表面分別設(shè)定為應(yīng)力邊界條件、水平位移約束邊界和垂直位移約束邊界。并根據(jù)鐵新煤礦2118材料巷地質(zhì)情況，對(duì)上覆巖層重力引起的平均原巖應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力評(píng)估計(jì)算工作：555m×2500kg/m3×10N/kg=13.8MPa。最終計(jì)算得出了2118工作面材料巷圍巖塑性區(qū)分布圖和圍巖變形圖，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 2118材料巷塑性區(qū)分布圖

如圖1所示，2118工作面材料巷圍巖并不穩(wěn)定，具有塑性區(qū)分布較廣、變形破壞范圍嚴(yán)重的特點(diǎn),巷道頂板、兩幫和底板圍巖塑性區(qū)分布范圍分別是：7660mm、2×3900mm（即7800mm）和1595mm。。圖2為2118材料巷圍巖變形圖與位移量統(tǒng)計(jì)，未進(jìn)行支護(hù)時(shí)，巷道頂板、兩幫和底板的位移量分別達(dá)到434mm、2×440mm（即880mm）和604mm；

圖2 2118材料巷圍巖變形圖（支護(hù)前）

綜合判斷，2118工作面材料巷圍巖的變形較為嚴(yán)重，需要采用合理的開(kāi)采方式確保礦井安全生產(chǎn)。

3 支護(hù)方案

3.1 巷道支護(hù)形式確定

根據(jù)鐵新煤礦地質(zhì)條件與FLAC模擬分析，確定2118材料巷掘進(jìn)期間巷道頂板采用“螺紋鋼錨桿+減摩墊圈+菱形網(wǎng)+錨索”支護(hù)，幫部采用“螺紋鋼錨桿+菱形網(wǎng)”支護(hù)。

3.2 支護(hù)參數(shù)選擇

頂部支護(hù)：頂板支護(hù)選用?18mm，L=2000mm的螺紋鋼錨桿，錨桿間排距1000mm×1000mm；頂板離層、淋水及破碎時(shí)，選用?18mm，L=2000mm的螺紋鋼錨桿，錨桿間排距1000mm×800mm。錨索?15.24mm，L=5200mm，錨索間排距2000mm×3000mm；頂板離層、淋水及破碎時(shí)，錨索間排距2000mm×1600mm。

幫部支護(hù)：兩幫選用?20mm，L=1800mm的玻璃鋼錨桿支護(hù)，錨桿間排距800mm×1000mm；頂板離層、淋水及破碎時(shí)，間排距800mm×800mm。

工作面最大控頂距為1.5m（頂板有離層、淋水及破碎時(shí)為1.2m），幫部滯后支護(hù)迎頭距離不超過(guò)4.5m（頂板有離層、淋水及破碎，幫部有片幫情況時(shí)上幫支護(hù)滯后迎頭距離不超過(guò)2.8m）,錨索距迎頭最大距離3.5m（頂板有離層、淋水及破碎時(shí)為2m）。

3.3 支護(hù)材料與規(guī)格

螺紋鋼錨桿材質(zhì)為MG400左旋無(wú)縱肋金屬錨桿，?18mm，L=2000mm。桿體屈服強(qiáng)度為385MPa，拉斷強(qiáng)度570MPa，延伸率19%，配套使用的鐵托盤(pán)規(guī)格為120mm×120mm×8mm。

玻璃鋼錨桿材質(zhì)為MGSC20/2000F樹(shù)脂錨桿，桿體抗拉強(qiáng)度為300MPa。桿體抗剪強(qiáng)度為75MPa，配套使用的塑料托盤(pán)規(guī)格為?140mm。

錨索材質(zhì)為鋼絞線，?15.24mm，L=5200mm，錨索鋼絞線的抗拉強(qiáng)度等級(jí),不低于1860MPa，其延伸率不小于3.5%，錨索托盤(pán)使用L=400mm中間加焊150mm×140mm×10mm鋼板的礦用18#槽鋼。

錨固劑型號(hào)為CK2350，錨固劑規(guī)格為?23mm×500mm，錨固劑凝膠時(shí)間0.5～1min。頂幫錨桿各裝1支錨固劑，錨索裝2支錨固劑。

菱形網(wǎng)緊跟錨桿逐排鋪設(shè)，聯(lián)網(wǎng)時(shí)可采用網(wǎng)與網(wǎng)搭茬進(jìn)行連接，其中網(wǎng)與網(wǎng)搭接長(zhǎng)度為200mm，并用14#雙股鐵絲交錯(cuò)擰緊且鐵絲扭結(jié)720°，聯(lián)網(wǎng)間距200mm。菱形網(wǎng)規(guī)格為5000mm×1800mm、4600mm×1200mm。

菱形金屬網(wǎng)由10#鐵絲編制而成，頂板按垂直巷道方向鋪設(shè)，幫部按照巷道掘進(jìn)方向進(jìn)行鋪網(wǎng)，菱形網(wǎng)規(guī)格分別為5000mm×1800mm、4600mm×1200mm。

支護(hù)材料規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 支護(hù)材料規(guī)格表

3.4 模擬結(jié)果

支護(hù)方案確定后，再次運(yùn)行FLAC4.0對(duì)2118工作 面材料巷進(jìn)行數(shù)值模擬，分別得到塑性區(qū)分布圖與圍巖變形數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖3與圖4。

如圖3所示，在進(jìn)行支護(hù)后，巷道頂板預(yù)圍巖的塑性區(qū)域大幅減小，主要集中在巷道表明處，圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制，具體見(jiàn)圖4。

圖3 2118材料巷塑性區(qū)分布圖

圖4 2118材料巷圍巖變形圖（支護(hù)后）

可以看出，支護(hù)后巷道頂板和兩幫的最大塑性屈服半徑分別降低至5200mm和2×3305mm（即6610mm），也就是說(shuō)，頂板和兩幫的塑性破壞范圍有效地降低了32.1%和15.2%。另外，巷道頂板和兩幫的最大位移量也控制在204mm和2×152mm（即304mm），較支護(hù)前降低了53.0%和65.5%，底板幾乎變形幾乎消除。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)?shù)V井地質(zhì)條件滿足時(shí)，從節(jié)約巷道支護(hù)成本、提高掘進(jìn)效率以及保證企業(yè)安全生產(chǎn)的角度來(lái)看，以錨桿為主進(jìn)行支護(hù)無(wú)疑是最有效的方式之一，通過(guò)對(duì)鐵新煤礦2118材料巷支護(hù)前后的模擬對(duì)比，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定性大幅提高，具體表現(xiàn)為：

（1）通過(guò)對(duì)支護(hù)前后巷道塑性區(qū)分布圖分析可以看出，支護(hù)前巷道頂板與兩幫圍巖的塑性區(qū)分布分別為7660mm和7800mm；支護(hù)后頂板和兩幫塑性區(qū)分別降至為5200mm和6610mm，降幅達(dá)到32.1%和15.2%，巷道圍巖的破壞范圍得到了有效的控制。

（2）通過(guò)對(duì)支護(hù)前后巷道圍巖變形量圖分析可以看出，支護(hù)前巷道頂?shù)装迮c兩幫的最大移近量分別為434mm和880mm；支護(hù)后巷道頂板和兩幫的最大位移量則成功控制在204mm和304mm，較支護(hù)前降低了53.0%和65.5%，巷道圍巖變形得以效控制。