李 科

（潞安化工集團(tuán)五陽煤礦， 山西 長治 046200）

引言

2014 年，我國煤礦單年新掘進(jìn)巷道總長度成功突破12 000 km，并呈現(xiàn)出逐年遞增的態(tài)勢，新掘進(jìn)巷道中有超過80%屬于煤巷或半煤巖巷，所以，設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的巷道支護(hù)技術(shù)有著重要意義。本文對于潞安化工集團(tuán)A 礦13 號煤層回采過程中，現(xiàn)存的工作面端頭處巷道垮塌和推進(jìn)過程難以相互協(xié)調(diào)，導(dǎo)致巷道產(chǎn)生較大面積懸頂?shù)膯栴}，采用理論計(jì)算的方式對巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上采用數(shù)值模擬的方式對預(yù)應(yīng)力場的分布特征進(jìn)行分析，驗(yàn)證了新方案的科學(xué)合理性以及適用性，顯著降低了此類工程問題的影響。

1 工作面回采巷道支護(hù)概況

1.1 工程地質(zhì)條件

潞安化工集團(tuán)A 礦13 號煤層作為礦井的主要開采煤層，其中13102 進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽，13108 進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽的工程地質(zhì)條件十分相近，因此選取13102 進(jìn)風(fēng)順槽作為本文的分析對象。13102 進(jìn)風(fēng)順槽處于二水平一盤區(qū)，煤層厚度在9.40～11.10 m之間，煤層傾角在2.8°～4.6°之間，地面標(biāo)高在+1 026～+1 135 m 間，工作面標(biāo)高在+889～+921 m之間，頂板由中粒砂巖構(gòu)成，厚度為14.74 m，底板由泥巖和泥灰?guī)r構(gòu)成，厚度分別為3.34 m 以及12.86 m[1]。

1.2 采掘巷道支護(hù)現(xiàn)狀

13102 進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)方向同煤層底板走向一致，巷道斷面形狀呈矩形，巷道高度5 600 mm、寬度4 000 mm，現(xiàn)有的支護(hù)方式是錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的方式。相關(guān)支護(hù)參數(shù)如下:巷頂板選取左旋螺紋鋼錨桿，錨桿直徑20 mm、長度2 500 mm，每排錨桿共有6 根，相鄰錨桿的間距1 000 mm、排距1 000 mm；頂錨索直徑17.8 mm、長度8 000 mm，每排錨桿共有2 根，相鄰錨桿的間距2 200 mm、排距2 500 mm；巷道工作幫選取玻璃鋼錨桿，錨桿直徑22 mm、長度2 000 mm，每排錨桿共有4 根，相鄰錨桿的間距1 000 mm、排距1 000 mm；巷道非工作幫選取圓鋼錨桿，錨桿直徑18 mm、長度2 100 mm，每排錨桿共有4 根，相鄰錨桿的間距1 000 mm、排距1 000 mm。

匯總具有類似地質(zhì)條件的礦井支護(hù)方案，得出潞安化工集團(tuán)A 礦13 號煤層巷道支護(hù)方案存在支護(hù)強(qiáng)度過高的問題。所以，本文設(shè)計(jì)一種降低支護(hù)強(qiáng)度的方案避免以上問題的出現(xiàn)，提升了巷道的掘進(jìn)效率，保障了施工安全。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿（索）聯(lián)合支護(hù)優(yōu)化方案

通過研究礦井地質(zhì)資料和礦井施工現(xiàn)場觀測的方式，發(fā)現(xiàn)礦井13 號煤層埋深較淺，煤層強(qiáng)度較高。采用現(xiàn)有的支護(hù)方式，巷道兩幫片幫現(xiàn)象較少，頂板整體性較好，頂板冒落現(xiàn)象很少出現(xiàn)。雖然巷道圍巖變形量得到了很好的控制，回采工作期間礦壓變化較為平緩，但與此同時也造成了煤層開采環(huán)節(jié)中容易出現(xiàn)端頭垮落困難、懸頂距離過長以及支護(hù)強(qiáng)度不符合實(shí)際需求等困難。所以，綜合上文對錨桿預(yù)應(yīng)力成因的研究以及近似地質(zhì)條件礦井的支護(hù)方案比對，得出結(jié)論通過適度減小支護(hù)強(qiáng)度的方式，不僅能夠保證巷道的支護(hù)穩(wěn)定性，也能夠避免巷道端頭出現(xiàn)垮塌滯后等問題。所以，綜合運(yùn)用類比分析法以及理論計(jì)算法，將礦井13 號煤層巷道現(xiàn)有的支護(hù)方案優(yōu)化為：巷道頂板選取左旋螺紋鋼錨桿，錨桿直徑18 mm、長度2 000 mm，每排錨桿的數(shù)量為6 根，相鄰錨桿的間距1 000 mm、排距1 000 mm，預(yù)緊力40 kN，預(yù)緊力矩134 N·m；頂錨索采用三花布置的方式，錨索直徑17.8 mm、長度8 000 mm，相鄰錨桿間距2 200 mm、排距3 000 mm，預(yù)緊力130 kN；巷道工作幫選取玻璃鋼錨桿，錨桿直徑22 mm、長度2 000 mm，每排錨桿數(shù)量為3 根，相鄰錨桿間距1 500 mm、排距1 500 mm，預(yù)緊力12 kN，預(yù)緊力矩40 N·m；巷道非工作幫選取圓鋼錨桿，錨桿直徑18 mm、長度2 000 mm，每排錨桿數(shù)量為3 根，相鄰錨桿間距1 500 mm、排距1 500 mm，預(yù)緊力21 kN，預(yù)緊力矩70 N·m。支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案示意圖如圖1 所示。優(yōu)化前后支護(hù)方案統(tǒng)計(jì)對比如表1所示。

圖1 支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案示意圖（單位：mm）

表1 優(yōu)化前后支護(hù)方案統(tǒng)計(jì)對比

3 優(yōu)化前后錨桿、錨索預(yù)應(yīng)力場分布特征

基于錨桿預(yù)應(yīng)力的成因和分布規(guī)律，對優(yōu)化后的支護(hù)方案采取數(shù)值模擬的方式，建立預(yù)應(yīng)力場分布模型，對于優(yōu)化前后方案作用下的巷道圍巖應(yīng)力場分布特性和承載能力進(jìn)行分析，驗(yàn)證優(yōu)化后的方案是否能夠適應(yīng)實(shí)際支護(hù)需求。

3.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)進(jìn)風(fēng)順槽實(shí)際地質(zhì)條件以及支護(hù)情況，建立預(yù)應(yīng)力場分布模型。模型高42.04 m、寬65.4 m。頂板由中粒砂巖構(gòu)成，厚度為14.74 m，煤層厚度為11.1 m，底板由泥巖和泥灰?guī)r構(gòu)成，厚度分別為3.34 m 以及12.86 m[2-3]。通過內(nèi)置Cable 單元的方式布置錨桿，根據(jù)煤巖力學(xué)參數(shù)、錨桿自身參數(shù)以及錨桿支護(hù)參數(shù)建立模型，采用庫倫斗拿爾本構(gòu)。在模型四周和地面添加位移約束。數(shù)值計(jì)算模型中巖石力學(xué)相關(guān)參數(shù)如表2 所示。優(yōu)化前巷道數(shù)值模型及支護(hù)方案如圖2 所示。

表2 數(shù)值計(jì)算模型中巖石力學(xué)參數(shù)

圖2 優(yōu)化前巷道數(shù)值模型及支護(hù)方案

3.2 支護(hù)系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力分布特征及承載范圍

因?yàn)橄锏厘^桿和錨索處于不同斷面，需要分別進(jìn)行截面選取，通過預(yù)應(yīng)力云圖對于優(yōu)化前后的方案進(jìn)行分析，支護(hù)系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力分布云圖如下頁圖3 所示。

圖3 支護(hù)系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力分布圖

通過下頁圖3 不難發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合支護(hù)的方案使得圍巖中出現(xiàn)部分壓應(yīng)力區(qū)，壓應(yīng)力通過疊加形成有機(jī)整體，提升了巷道的承載能力，保證了巷道的穩(wěn)定性。對比分析圖3-1、圖3-3 不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有方案下，巷道頂板和兩幫靠近錨索的區(qū)域均出現(xiàn)了較大面積的壓應(yīng)力承載區(qū)；對比分析圖3-2、圖3-4 不難發(fā)現(xiàn)，將預(yù)應(yīng)力0.1 MPa 作為界限，可知頂板處壓應(yīng)力區(qū)仍是連續(xù)的，但是由于兩幫錨桿的減少使得兩幫預(yù)應(yīng)力大于0.1 MPa 的區(qū)域不再連續(xù)，因此，優(yōu)化后的支護(hù)方案能夠適當(dāng)降低支護(hù)強(qiáng)度。對比分析圖3-1、圖3-2 不難發(fā)現(xiàn)，壓應(yīng)力仍然集中在錨桿錨固周圍，但是優(yōu)化后的錨桿壓應(yīng)力數(shù)值顯著下降，并且集中于錨桿尾部2/3 區(qū)域內(nèi)優(yōu)化前，峰值達(dá)到0.294 MPa；優(yōu)化后，適當(dāng)縮短了錨桿長度和直徑，每排錨桿僅有中間4 根壓應(yīng)力較大，并且長度縮短為尾部1/2區(qū)域，峰值下降至0.277 MPa。將預(yù)應(yīng)力大于0.1 MPa作為界限，優(yōu)化后的頂板加固高度縮短為1.7 m；兩幫的加固深度縮短為1.5 m。對比分析圖3-3、圖3-4 不難發(fā)現(xiàn)，通過減少錨索數(shù)量，縮短頂錨桿長度和直徑的方式，使得錨桿的應(yīng)力峰值由0.293 MPa 下降至0.203 MPa，并且頂板高應(yīng)力區(qū)域面積顯著減小。將預(yù)應(yīng)力大于0.1 MPa 作為界限，優(yōu)化后的頂板加固高度縮短至1.6 m；兩幫加固深度縮短至1.5 m。綜上，進(jìn)行方案優(yōu)化后，錨桿由于預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的壓應(yīng)力區(qū)面積顯著減小，應(yīng)力數(shù)值顯著下降，巷道的支護(hù)強(qiáng)度適當(dāng)降低，承載能力減弱，但是巷道變形量符合要求。實(shí)現(xiàn)了支護(hù)方案科學(xué)合理以及安全的目標(biāo)，能夠很好地解決巷道頂板垮落滯后導(dǎo)致的大面積懸頂問題。

3.3 優(yōu)化前后巷道圍巖變形特性

已知13 號煤層屬于淺埋煤層，具有巷道圍巖變形量較小等特點(diǎn)，因此在數(shù)值模型分析過程中，需要對支護(hù)優(yōu)化前后巷道頂板、兩幫及底板位移量的最大值，繪制直方圖對比優(yōu)化前后巷道圍巖位移量進(jìn)行綜合分析，對比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化前后巷道圍巖位移量

根據(jù)圖4 不難發(fā)現(xiàn)，煤層埋深較淺使得巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)較好，位移量較小。優(yōu)化后的方案使得巷道的支護(hù)強(qiáng)度降低，頂板、底板和兩幫圍巖位移量均有所增加。其中，頂板位移量由10.8 mm 增加至13.2 mm；正幫位移量由6.9 mm 增加至11.5 mm；副幫位移量由7.6 mm 增加至9.7 mm；底板位移量由9.4 mm 增加至11.3 mm。由此可見，優(yōu)化后的支護(hù)方案一定程度上降低了巷道的支護(hù)強(qiáng)度，使得圍巖位移量有所增加，但是位移量仍在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，驗(yàn)證了優(yōu)化后的方案對巷道圍巖變形的控制效果。

4 優(yōu)化后巷道支護(hù)應(yīng)用效果

支護(hù)方案優(yōu)化后，斷面變形量較小，巷道圍巖十分穩(wěn)定，兩幫幾乎無片幫現(xiàn)象產(chǎn)生，頂板無局部煤體冒落現(xiàn)象，所以，通過降低支護(hù)強(qiáng)度的方式仍能保證巷道的支護(hù)效果，驗(yàn)證了優(yōu)化后的支護(hù)方案的穩(wěn)定性以及安全性。此外，優(yōu)化后的支護(hù)方案避免了工作面端頭處巷道頂板垮落滯后性導(dǎo)致大面積懸頂?shù)默F(xiàn)象。