高樹強(qiáng)，付玉平

（1.山西中陽榮欣焦化有限公司，山西 呂梁 033400；2.太原科技大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著科技水平的不斷發(fā)展，適用于煤炭領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備不斷更新?lián)Q代，由此引起的回采速度的加快在提高礦井年產(chǎn)量的同時，也加劇了采掘工作面接替緊張的局面。相比于回采工作面來說，掘進(jìn)工作面施工工序多、難度大、進(jìn)尺較慢，其中圍巖支護(hù)是影響掘進(jìn)工作面進(jìn)度的最主要因素[1]。考慮到巷道掘進(jìn)過程中往往伴隨著地質(zhì)條件的不斷改變，作用于巷道圍巖的應(yīng)力條件也將隨之變化，因此，明確巷道快速掘進(jìn)中支護(hù)參數(shù)并能依據(jù)支護(hù)效果進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)巷道科學(xué)、有效支護(hù)的關(guān)鍵。

近年來，眾多學(xué)者圍繞巷道快速掘進(jìn)過程中的支護(hù)工藝展開了大量研究。高振軍以厚煤層快速掘進(jìn)過程中控制層為研究對象，提出了以層位控制為中心的三圖雙預(yù)測技術(shù)并準(zhǔn)確預(yù)測了煤層產(chǎn)狀及厚度變化特征，以此為基礎(chǔ)確定了最適用于該巷道的支護(hù)方法[2]。馬長樂研究分析了余吾煤業(yè)礦井大斷面煤巷快速掘進(jìn)施工工藝，并指明平行作業(yè)過程中的時間分配不合理以及支護(hù)工序是導(dǎo)致巷道掘進(jìn)速率緩慢的關(guān)鍵因素，結(jié)合該礦井實(shí)際狀況提出對掘進(jìn)班組施工工藝及掘進(jìn)頭臨時支護(hù)方式進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了大斷面煤巷掘進(jìn)速度提升的目的[3]。王本林綜合分析了當(dāng)今階段掘進(jìn)工作面前置、后置支護(hù)兩種支護(hù)工藝的制約因素，并綜合二者優(yōu)勢提出了以雙錨掘進(jìn)為核心的快速掘巷交叉支護(hù)工藝，為快速掘巷過程中頂板支護(hù)方法提供了一種新的思路[4]。叢利結(jié)合葫蘆素煤礦地質(zhì)條件以及“錨- 網(wǎng)- 索”聯(lián)合支護(hù)形式在該礦應(yīng)用效果后發(fā)現(xiàn)該支護(hù)方法是影響掘巷進(jìn)度的主要問題，并提出將原支護(hù)方法轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳A(yù)緊長錨固的柔性支護(hù)形式，從簡化工序的角度提高了巷道掘進(jìn)速度，并且提高了支護(hù)效率[5]。以上研究成果其共同之處在于學(xué)者主要針對不同巷道快速掘進(jìn)中的支護(hù)工藝、支護(hù)工序以及作業(yè)形式等角度進(jìn)行了變更，以此完成了巷道掘進(jìn)速度的提升。韓龍以布爾臺礦為研究對象，分析了巷道地質(zhì)參數(shù)及其對支護(hù)方案穩(wěn)定性的影響規(guī)律，利用FLAC 軟件模擬研究了支護(hù)間隔期對圍巖穩(wěn)定性的影響，并依據(jù)研究結(jié)果對該礦原有支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，從而大幅度提高了巷道掘進(jìn)速度[6]。楊磊通過對巷道支護(hù)形式進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，使得圍巖變形量在開挖10 天左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[7]。喬康康通過對回風(fēng)平巷圍巖大變形機(jī)理進(jìn)行分析，確定了“錨索+ 恒阻大變形錨桿+ 鋼帶梁+ 底部注漿錨桿”優(yōu)化方案使圍巖變形量得到了控制[8]。由此可見，在巷道支護(hù)形式確定的基礎(chǔ)上，通過對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化不僅可以改善支護(hù)效果，同時可實(shí)現(xiàn)提高掘進(jìn)速度的目的。

基于上述原因，本文以山西中陽榮欣焦化有限公司高家莊煤礦3 號煤工作面回風(fēng)巷為研究對象，結(jié)合該巷道地質(zhì)特征及圍巖條件，在現(xiàn)有支護(hù)形式不變的基礎(chǔ)上，利用FALC3D軟件通過對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化并對比分析了兩種方案支護(hù)效果。該研究成果可為巷道快速掘進(jìn)工藝實(shí)施中頂板支護(hù)方案的確定提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

山西中陽榮欣焦化有限公司高家莊煤礦3 號煤515 水平二盤區(qū)3205 軌道順槽地面標(biāo)高為+1 070 ～+1 142 m，掘進(jìn)工作面頂板標(biāo)高為+546～+627.5 m。該巷道掘進(jìn)前煤體未受到采動影響，掘進(jìn)位置四周均為煤體。煤層厚度1.0～1.9 m，平均1.6 m，煤層不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡單；直接頂大部分為泥巖或砂質(zhì)泥巖，自上而下依次為泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖；直接底為泥質(zhì)粉砂巖f=1.5～1.7，向下為砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖和碳質(zhì)泥巖，各巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。巷道掘進(jìn)期間預(yù)計(jì)絕對瓦斯涌出量1.5 m3/min，經(jīng)鑒定，3 號煤層無煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬自燃煤層。煤塵無爆炸危險(xiǎn)性。煤層走向平均75°～130°，傾向165°～220°，傾角0°～9°，平均4°。3205 軌道順槽為矩形斷面，凈寬4.8 m，凈高3.1 m，凈斷面積14.88 m2。按照+3‰坡度、方位45°沿3 號煤層頂板施工。

1.2 原支護(hù)參數(shù)

依據(jù)3205 軌道順槽地質(zhì)條件，巷道支護(hù)采用錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+槽鋼鋼帶聯(lián)合支護(hù)。其中：頂錨桿采用φ20 mm×2 500 mm 左旋高強(qiáng)金屬錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm；錨索采用φ17.8 mm×5 200 mm 鋼絞線，一排鋼帶兩側(cè)和中間眼內(nèi)布置錨索，另兩個眼布置錨桿；下一排鋼帶中間眼內(nèi)布置錨桿，另四個眼布置錨索，兩種支護(hù)形式交替進(jìn)行。幫錨桿是φ20 mm×2 000 mm 錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，每3 m 打兩排幫錨索代替上、中排幫錨桿，幫錨索規(guī)格為φ17.8 mm×3 500 mm。該支護(hù)方案基本滿足巷道支護(hù)安全要求，但現(xiàn)場由于錨索較多，使得支護(hù)作業(yè)耗費(fèi)時間長，導(dǎo)致施工進(jìn)度緩慢（月掘進(jìn)度為92 m，計(jì)劃月進(jìn)度為115 m）,經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)支護(hù)環(huán)節(jié)是限制巷道快速掘進(jìn)進(jìn)度的主要因素。為此，需對3205 巷道原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到最優(yōu)支護(hù)效果。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

由于煤巷掘進(jìn)過程中地質(zhì)條件處于動態(tài)變化中，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)也需依據(jù)支護(hù)效果、施工環(huán)境進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化。為模擬分析巷道快速掘進(jìn)過程中支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后的圍巖控制效果，采用有限差分軟件FLAC3D對比分析支護(hù)方案優(yōu)化前后的支護(hù)效果。結(jié)合3205 巷道所受地應(yīng)力條件，為反映巷道掘進(jìn)過程中圍巖塑性區(qū)及變形量分布特征，數(shù)值模型上部邊界條件設(shè)置為均布載荷q=12 MPa（埋深500 m左右）；前后左右四方向設(shè)置為法向約束；底部為法向與切向約束，如圖1（a）所示?？紤]到軌道順槽寬度為4.8 m，高度為3.1 m，為保證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性并兼顧計(jì)算時間因素，模型尺寸長×寬×高=30 m×30 m×30 m。由于各巖層力學(xué)特性差異較大，網(wǎng)格同樣采取按區(qū)劃分的方法，如圖1（b）所示。在模型計(jì)算過程中，頂?shù)装寮皟蓭? m 范圍內(nèi)采用應(yīng)變軟化模型計(jì)算，深部煤巖體則采用摩爾庫侖準(zhǔn)則計(jì)算。

圖1 邊界條件及網(wǎng)格剖分

2.2 優(yōu)化方案

采用工程類比法設(shè)計(jì)的3205 軌道順槽支護(hù)方案并非最優(yōu)方案，因此，本文利用FLAC3D軟件模擬分析了巷道快速掘進(jìn)中支護(hù)方案優(yōu)化前后圍巖控制效果。優(yōu)化后所做支護(hù)參數(shù)調(diào)整如下：

（1）頂板錨桿、錨索所選規(guī)格及間排距均不變，但其布置形式和參數(shù)改為： 一排鋼帶兩側(cè)眼內(nèi)布置錨索，其余三個眼內(nèi)布置錨桿，下一排鋼帶兩側(cè)和中間眼內(nèi)布置錨桿，其余兩個眼布置錨索，兩種支護(hù)形式交替進(jìn)行；頂板角部錨桿（索）向外傾斜15°，其余錨桿（索）均垂直于頂板。

（2） 幫錨桿規(guī)格改為φ18 mm×2 400 mm，幫錨索不變，錨桿（索）間排距不變，每排布置3 根錨桿，兩幫間隔兩排中部錨索由錨桿代替。

原支護(hù)方案及優(yōu)化后方案對比如圖2 所示。

圖2 支護(hù)方案優(yōu)化前后對比

3 模擬結(jié)果分析

為對比分析巷道快速掘進(jìn)中兩種支護(hù)方案對圍巖變形控制效果，模擬工況為巷道全斷面一次成巷，一掘一錨，開掘進(jìn)尺為1 m 共分16 次掘進(jìn)完成，成巷長度為16 m；觀測斷面設(shè)在進(jìn)深1.5 m處。

巷道支護(hù)方案優(yōu)化前后圍巖內(nèi)塑性區(qū)分布特征圖像如圖3 所示。由圖3 可以發(fā)現(xiàn)在巷道所受應(yīng)力條件不變的條件下，通過更改錨桿與錨索的布置形式對巷道圍巖內(nèi)部塑性區(qū)的分布影響不大。這是因?yàn)橄锏篱_挖所造成的應(yīng)力重新分布是造成圍巖破壞的主要原因，在保證支護(hù)強(qiáng)度前提下錨桿（索）的分布差異對限制塑性區(qū)的擴(kuò)展影響效果有限。

圖3 優(yōu)化前后塑性區(qū)分布特征

3205 掘進(jìn)工作面支護(hù)方案優(yōu)化前后巷道圍巖變形云圖如圖4 所示，由圖可知，頂板錨桿與錨索布置形式更改以及兩幫錨桿規(guī)格的變更前后巷道圍巖變形差異主要有以下作用：

圖4 優(yōu)化前后圍巖變形云圖

①優(yōu)化支護(hù)方案頂板最大變形量相比原支護(hù)方案有所增加，表2 可知，頂板下沉量增幅約0.038%，在可接受范圍內(nèi)，但其沉降區(qū)影響范圍要小于原方案。

表2 巷道圍巖最大變形量（單位/cm）

②兩幫錨桿規(guī)格、錨桿（索）布置方式優(yōu)化后，可有效控制巷道兩幫及底板最大變形量。由表2可知，優(yōu)化后的支護(hù)方案左右兩幫、底板最大變形量分別下降了7.65%、5.73%和2.75%。

經(jīng)上述分析可知，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案可以使巷道兩幫以及底板變形量減小，從而獲得更好的支護(hù)效果；同時，由于實(shí)際操作中錨桿相比于錨索其施工速度以及工人勞動強(qiáng)度更小，從而可間接減小錨固作業(yè)時間，提升掘巷速度。

4 應(yīng)用效果

由于優(yōu)化前后支護(hù)方案對頂板變形影響不大，為驗(yàn)證優(yōu)化后巷道支護(hù)方案的圍巖控制效果，采用十字布點(diǎn)法對巷道兩幫變形量進(jìn)行了監(jiān)測。兩種支護(hù)方案自巷道開挖同一時期的兩幫累計(jì)變形量隨時間變化曲線如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化前后巷道兩幫變形量曲線

由圖5 所示監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，在巷道開挖后30 天內(nèi)兩種支護(hù)方案兩幫變形量均出現(xiàn)急劇增加的現(xiàn)象；當(dāng)開挖50 天后，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案兩幫變形幾乎進(jìn)入了穩(wěn)定段，隨著時間增加兩幫變形量維持在37 mm 左右，而優(yōu)化前的支護(hù)方案則是在60 天左右方進(jìn)入穩(wěn)定階段，此時最大變形量為41 mm。由此可見，通過對原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，可有效控制兩幫變形量，并使巷道變形快速進(jìn)入穩(wěn)定變形階段，有利于巷道圍巖控制。

5 結(jié)論

為解決高家莊煤礦3205 軌道順槽快速掘進(jìn)過程中因支護(hù)方案所造成的掘進(jìn)效率低的問題，采用數(shù)值模擬的方法對比分析了優(yōu)化前后兩種方案支護(hù)效果，并采用現(xiàn)場監(jiān)測的方法驗(yàn)證了優(yōu)化后方案的可行性，結(jié)果表明：

1）優(yōu)化后的支護(hù)方案對圍巖變形量有更好的控制效果，其中，兩幫變形量下降了5.73%～7.65%，底板最大變形量下降了2.75%。

2）在保證支護(hù)效果的前提下，通過更改錨桿（索）布置形式、鉆孔角度以及以錨桿替代錨索的方法，可有效減少支護(hù)環(huán)節(jié)的施工作業(yè)時間，從而提高掘進(jìn)效率。