許夢(mèng)斌,朱愛華

(1.澤州縣應(yīng)急管理局, 山西 晉城 048000;2.山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 山西 晉城 048006)

在煤礦開采過(guò)程中,巷道支護(hù)的好壞直接關(guān)系工作面正?；夭蛇M(jìn)程及銜接,同時(shí)也影響煤礦井下作業(yè)安全及生產(chǎn)效益。經(jīng)過(guò)多年的研究實(shí)踐,煤礦巷道支護(hù)實(shí)現(xiàn)了從木材到金屬的支護(hù)材料革命,被動(dòng)支護(hù)到主動(dòng)支護(hù)的技術(shù)革命[1]. 目前,錨桿與錨索已成為煤礦巷道的主體支護(hù)方式。多位學(xué)者[2-5]對(duì)錨桿與錨索在堅(jiān)硬頂板、強(qiáng)采動(dòng)、大變形等特殊地質(zhì)條件下的應(yīng)用進(jìn)行了研究,顯著提高了巷道圍巖控制效果,降低了巷道維護(hù)成本。但對(duì)大排距支護(hù)中錨桿(索)的最佳支護(hù)參數(shù)研究較少,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體煤礦的巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件及圍巖變形、破壞特點(diǎn)確定其支護(hù)方案。

四明山煤業(yè)由于井田西部邊界不規(guī)則,導(dǎo)致北翼9112工作面需要通過(guò)9112運(yùn)輸繞道和回風(fēng)繞道與9號(hào)煤層南翼3條下山巷道連通形成工作面生產(chǎn)系統(tǒng)。采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬、靜力學(xué)仿真、頂板離層監(jiān)測(cè)等多種方法,對(duì)9112運(yùn)輸繞道大排距支護(hù)方案及參數(shù)進(jìn)行分析確定,以減少巷道支護(hù)成本,提高礦井生產(chǎn)效益。

1 工程概況

9112運(yùn)輸繞道位于9號(hào)煤層一采區(qū)北翼西部,沿頂板掘進(jìn),煤層傾角2°～8°,平均傾角4°,煤厚1.40～1.75 m,平均煤厚1.51 m,全長(zhǎng)478 m,巷道掘進(jìn)斷面尺寸為4.7 m×2.6 m,最大埋深97 m,整體為單斜構(gòu)造。地表為低山丘陵地貌,局部存在北善村魚塘,無(wú)河流通過(guò)。巷道北側(cè)為大巷保護(hù)煤柱,南側(cè)和西側(cè)為井田邊界防隔水煤柱,東側(cè)穿過(guò)既有巷采采空區(qū)。9112運(yùn)輸繞道直接頂為1.10 m砂質(zhì)泥巖,基本頂為細(xì)粒砂巖,局部存在泥巖、砂質(zhì)泥巖互層;直接底為1.10 m砂質(zhì)泥巖,基本底為石灰?guī)r、細(xì)粒砂巖。

2 錨桿(索)支護(hù)參數(shù)初步確定

2.1 錨桿長(zhǎng)度

Ld=L1+L2+L3

(1)

式中:Ld為頂錨桿長(zhǎng)度,m;L1為頂錨桿外露長(zhǎng)度,m,取0.15 ;L2為頂錨桿有效長(zhǎng)度,m,取1.7 ;L3為頂錨桿端錨錨固長(zhǎng)度,m,取0.40.

Lb=L4+L5+L6

(2)

式中:Lb為幫錨桿長(zhǎng)度,m;L4為幫錨桿外露長(zhǎng)度,m,取0.15;L5為幫錨桿有效長(zhǎng)度,m,取1.3;L6為幫錨桿端錨錨固長(zhǎng)度,m,取0.40.

計(jì)算可得:Ld為2.25 m,Lb為1.85 m,考慮錨桿長(zhǎng)度留有一定的富余量,初步確定9112運(yùn)輸繞道頂板采用2.4 m的錨桿,幫部采用2.0 m的錨桿。

2.2 錨桿間排距

(3)

式中:a為錨桿間排距,m;Q為錨桿錨固力,kN,取125;K為安全系數(shù),取1.5～2.0;L2為頂錨桿有效長(zhǎng)度,m,取1.7;γ為巖層平均體積力,kN/m3,取27.

計(jì)算可得,錨桿間排距為1.167～1.347 m,初步確定9112運(yùn)輸繞道的錨桿間排距在1.2 m左右。

2.3 錨索長(zhǎng)度

Lq=Lw+Lb+Lm

(4)

式中:Lq為頂板錨索長(zhǎng)度,m;Lw為錨索外露長(zhǎng)度,m,取0.4;Lb為潛在的不穩(wěn)定巖層高度,m,取4.4;Lm為錨索錨固長(zhǎng)度,m,取1.5.

考慮錨索長(zhǎng)度留有一定的富余量,設(shè)計(jì)取6.3 m.

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

參考四明山煤業(yè)圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試報(bào)告,并結(jié)合一采區(qū)相關(guān)地質(zhì)資料,采用FLAC3D數(shù)值模擬按照9號(hào)煤層綜合柱狀圖1∶1建立X×Y×Z=500 m×200 m×150 m的煤系地層,共劃分223 750個(gè)網(wǎng)格單元,256 530個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。模型四周和底面固定,設(shè)定重力加速度為-10 m/s2,側(cè)壓系數(shù)為2.0,并賦予模型摩爾庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系,數(shù)值模型見圖1,各巖層力學(xué)參數(shù)選取見表1.

表1 四明山煤業(yè)9號(hào)煤層一采區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)表

圖1 數(shù)值模型圖

3.2 模擬結(jié)果

3.2.1 錨桿間排距合理確定

選取錨桿間排距800 mm、1000 mm、1200 mm、1400 mm、1600 mm共5種情況分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,得到各錨桿間排距下9112運(yùn)輸繞道垂直位移云圖,見圖2,繪制出不同錨桿間排距與頂板下沉量的相互作用曲線,見圖3.

結(jié)合圖2和圖3可知,9號(hào)煤層錨桿間排距與巷道頂板下沉量之間近似呈現(xiàn)雙曲線關(guān)系,當(dāng)錨桿間排距較小時(shí),頂板下沉量會(huì)隨著支護(hù)密度的增大而增大,當(dāng)錨桿間排距增大到一定范圍時(shí),頂板下沉量會(huì)隨著支護(hù)密度的增大使頂板下沉趨勢(shì)急劇增加,說(shuō)明當(dāng)支護(hù)密度增加到一定程度時(shí),若再繼續(xù)增大錨桿間排距必然會(huì)使支護(hù)對(duì)頂板的控制效果減弱。故9號(hào)煤層巷道支護(hù)必然存在著一個(gè)合理的錨桿間排距,在曲線上反映出來(lái)便是不同錨桿間排距與巷道頂板下沉量曲線的拐點(diǎn)。

當(dāng)錨桿間排距為1200 mm時(shí),頂板下沉幅度隨錨桿間排距減小的程度明顯減弱,故錨桿間排距1200 mm成為錨桿合理布置的分界點(diǎn),考慮到支護(hù)成本,且9112運(yùn)輸繞道基本頂為細(xì)粒砂巖,基本底為石灰?guī)r、細(xì)粒砂巖,頂?shù)装鍘r性較好,故最終確定錨桿間排距為1200 mm.

3.2.2 錨索間距合理確定

選取錨索間距1400 mm、1600 mm、1800 mm、2000 mm、2200 mm共5種情況分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,得到各錨索間距下錨固作用效果,見圖4.

圖4 不同錨索間距下錨固作用效果圖

從圖4可知,當(dāng)錨索間距為1400 mm時(shí),錨固作用區(qū)域明顯增大且連成片區(qū);當(dāng)錨索間距為1600 mm時(shí),頂板上方巖層錨固作用帶縮小,但此時(shí)仍能連成片區(qū);當(dāng)錨索間距為1800～2000 mm時(shí),頂板上方巖層錨固作用帶已不連續(xù),故錨索間距1600 mm成為錨索合理布置的分界點(diǎn),優(yōu)選錨索間距1600 mm.

3.2.3 錨索排距合理確定

選取錨索排距隔1排錨桿、隔2排錨桿、隔3排錨桿、隔4排錨桿共4種情況分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,得到各錨索排距下9112運(yùn)輸繞道垂直位移云圖,見圖5,繪制出不同錨索排距與頂板下沉量的相互作用曲線,見圖6.

圖5 不同錨索排距下巷道垂直位移云圖

圖6 不同錨索排距與頂板下沉量的相互作用曲線圖

結(jié)合圖5和圖6可知,隔1排錨桿布置錨索與隔2排錨桿布置錨索相比,頂板下沉量相差很小,若采取隔1排錨桿布置錨索,將造成支護(hù)成本過(guò)高;而隔4排錨桿布置錨索時(shí),支護(hù)密度明顯不足,頂板下沉量顯著增大,與隔2排錨桿布置錨索相比,其頂板下沉量相差較大,無(wú)法在破碎巖層與上覆穩(wěn)定巖層之間建立聯(lián)系;當(dāng)隔2排錨桿和隔3排錨桿時(shí),頂板下沉量出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn),說(shuō)明隔2排錨桿或隔3排錨桿布置時(shí),頂板錨桿和錨索的協(xié)同作用增強(qiáng),考慮到9112運(yùn)輸繞道頂板條件較好、埋深小,故最終確定錨索排距為隔3排錨桿布置。

4 9112運(yùn)輸繞道支護(hù)方案

頂板采用MSGLW-400/20×2400型高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,錨桿間排距1300 mm×1200 mm(在實(shí)際施工過(guò)程中為加強(qiáng)斷面肩角部位的加強(qiáng)控制作用,適當(dāng)調(diào)整錨桿間距為1300 mm),每排4根錨桿,垂直頂板矩形布置(肩角錨桿考慮到施工需要,允許外扎5°～10°誤差)。幫部采用MSGLW-400/18×2000型高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,錨桿間排距1200 mm×1200 mm,每排2根錨桿,垂直兩幫矩形布置(肩角錨桿考慮到施工需要,允許外扎5°～10°誤差)。配套使用150 mm×150 mm×10 mm高強(qiáng)度拱形錨桿托盤、調(diào)心球墊及減磨墊圈。每根錨桿使用1支MSK2335快速錨固劑和1支MSZ2360中速錨固劑。頂板錨桿預(yù)緊力大于65 kN,預(yù)緊力矩大于250 N·m;幫部錨桿預(yù)緊力大于50 kN,預(yù)緊力矩大于180 N·m.

頂板錨索選用SKP17.8-1/1860-6300型高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,錨索間排距為1600 mm×3600 mm,每排2根錨索,垂直頂板矩形布置,配套使用300 mm×300 mm×16 mm的高強(qiáng)度拱形托盤、高強(qiáng)鎖具及萬(wàn)向調(diào)心球墊,每根錨索使用1支MSK2335快速錨固劑和2支MSZ2360中速錨固劑,錨索的預(yù)緊力大于180 kN. 頂板采用φ6 mm鋼筋焊接而成的鋼筋網(wǎng)護(hù)頂,網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm,頂網(wǎng)規(guī)格2500 mm×1400 mm;幫部采用12#鐵絲編織的菱形網(wǎng)護(hù)幫,網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm,幫網(wǎng)規(guī)格1800 mm×1400 mm. 9112運(yùn)輸繞道支護(hù)方案見圖7.

當(dāng)9112運(yùn)輸繞道過(guò)斷層、破碎帶、陷落柱以及巷道開口等地質(zhì)區(qū)域,或涌(淋)水量增大時(shí),應(yīng)及時(shí)縮小間排距,必要時(shí)采取架棚、注漿等特殊支護(hù)方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

5 靜力學(xué)仿真

采用ANSYS Workbench對(duì)錨索張拉進(jìn)行靜力學(xué)仿真。假定錨索、錨固劑、圍巖為各向同性材料,在錨索、錨固劑與圍巖的分界面上分別建立Frictional接觸對(duì),允許模型在分界面上自由滑動(dòng),設(shè)定重力加速度為-10 m/s2,對(duì)錨索施加285 kN的張拉力(錨索張拉試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)錨固力取值為285 kN),具體材料參數(shù)見表2,靜力學(xué)仿真結(jié)果見圖8.

表2 材料參數(shù)表

圖8 錨索張拉靜力學(xué)仿真結(jié)果圖

從圖8(b)可知,錨固劑與圍巖分界面滑移最大位移為26.9 mm;從圖8(c)可知,錨索與圍巖體最大滑移位移為63.6 mm,小于錨索設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度1.5 m,錨索并未拉出,故錨索的錨固力大于285 kN,滿足試驗(yàn)取值標(biāo)準(zhǔn);從圖8(d)可知,錨索受到的最大拉應(yīng)力為1 510.7 MPa小于鋼絞線抗拉強(qiáng)度,錨索并未屈服。故綜上分析,錨索的設(shè)計(jì)錨固效果能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

6 工程實(shí)踐

根據(jù)四明山煤業(yè)9號(hào)煤層采掘銜接計(jì)劃可知,9112運(yùn)輸繞道在掘進(jìn)期間受9108綜采工作面回采及9112回風(fēng)繞道掘進(jìn)期間的采動(dòng)影響,且東側(cè)穿過(guò)既有巷采采空區(qū)(東側(cè)局部地段早先經(jīng)受過(guò)一次采動(dòng)影響)。為檢驗(yàn)9112運(yùn)輸繞道在掘進(jìn)期間的圍巖支護(hù)效果,在9112運(yùn)輸繞道頂板中部安設(shè)頂板離層儀,淺基點(diǎn)安裝深度為2.3 m,深基點(diǎn)安裝深度為8.5 m,監(jiān)測(cè)天數(shù)為130 d,每隔10 d進(jìn)行一次監(jiān)測(cè),9112運(yùn)輸繞道頂板離層位移曲線見圖9.

圖9 9112運(yùn)輸繞道頂板離層位移曲線圖

從圖9可知,9112運(yùn)輸繞道采用支護(hù)方案后,0～2.3 m的巖層頂板離層位移為8 mm,0～8.5 m的巖層頂板離層位移為11 mm,2.3～8.5 m頂板離層只有3 mm,淺部基點(diǎn)位移大于深部基點(diǎn)。在監(jiān)測(cè)的90 d時(shí)間內(nèi)頂板離層量雖然有所增大,但在后40 d內(nèi)頂板離層位移量明顯趨于穩(wěn)定,證明了9112運(yùn)輸繞道在該支護(hù)方案下能夠保證巷道圍巖穩(wěn)定。

7 結(jié) 語(yǔ)

1) 采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬方法分析了四明山煤業(yè)9112運(yùn)輸繞道的錨桿(索)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù),制定了大排距錨網(wǎng)索支護(hù)方案。

2) 借助ANSYS Workbench靜力學(xué)仿真分析了錨索張拉情況,并通過(guò)頂板離層礦壓監(jiān)測(cè)得知,9112運(yùn)輸繞道采用支護(hù)方案后,頂板0～2.3 m的巖層頂板離層位移為8 mm,2.3～8.5 m巖層范圍內(nèi)只產(chǎn)生了3 mm離層位移,充分說(shuō)明了該支護(hù)方案能夠保證巷道圍巖穩(wěn)定。