薛潤根，陰永生

(山西西山煤電股份公司馬蘭礦，山西 古交 030205)

近年來，隨著礦井生產(chǎn)能力的逐年增加，瓦斯抽采壓力越來越大，采掘接替越來越緊。提高煤巷掘進(jìn)速度對緩解采掘接替、實(shí)現(xiàn)減人提效、落實(shí)抽采達(dá)標(biāo)、建設(shè)本質(zhì)安全型礦井具有重大意義。西山煤電股份公司馬蘭礦通過推廣綜合機(jī)械化掘進(jìn)機(jī)煤巷全錨支護(hù)技術(shù)來提高煤巷單進(jìn)水平，根據(jù)跟班調(diào)查的工序時(shí)間，支護(hù)占一個(gè)循環(huán)作業(yè)的大部分時(shí)間，約50% ～67%。所以，合理的支護(hù)設(shè)計(jì)有助于減少人力和材料的浪費(fèi)，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高時(shí)間利用率，提高掘進(jìn)速度。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，僅用一種方法一個(gè)公式計(jì)算，很難得出合理的支護(hù)參數(shù)，需要利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，因此，該礦同中國礦業(yè)大學(xué)(北京)合作，采用FLAC3D軟件對南五采區(qū)10503工作面巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，有效地模擬煤巷周圍的巖層條件，對理論計(jì)算的支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

1 工程概況

煤層賦存情況及頂?shù)装鍘r性特征：

1)煤層特征。

10503工作面所掘煤層為二迭系下統(tǒng)山西組02#煤層，煤層厚度為1．37 ～2．82 m，平均厚度 2．40 m，煤層結(jié)構(gòu) 1．34(0．17)0．89 m，煤層傾角1°～3°，在煤層中部夾一層矸石，厚度0．1～0．22 m，屬穩(wěn)定可采近水平中厚煤層。

2)煤層頂?shù)装迩闆r。老頂為K4砂巖，淺灰色細(xì)砂巖，厚4．50 m，含裂隙承壓水，富水性弱。直接頂為深灰色粉砂巖，厚2．77 m，水平層理發(fā)育，夾薄層泥巖。偽頂為灰白色鋁質(zhì)泥巖，厚0．20 m，有滑感，吸水變軟。直接底為淺灰色粉砂巖，厚0．15 m，含少量植物化石。老底為灰色中砂巖，厚2．03 m，鈣質(zhì)膠結(jié)，致密堅(jiān)硬，上部發(fā)育一薄層粉沙巖。

3)工作面位置及周圍開采情況。

該工作面對應(yīng)地表位于后頭溝下部，玉米溝以東，后頭梁以西，軌道巷在此段上部有一組高壓線路穿過，主要出露地層為Q2+3、N2、P2S2。蓋山厚度397～357 m，平均厚度377 m。

兩巷開口于南五02#煤皮帶下山，軌道巷西南側(cè)間隔26～43 m，下部間隔2．8 m為南五補(bǔ)回風(fēng)巷和南三泄水巷。巷道平面位置圖見圖1。

4)水文地質(zhì)情況。

本工作面02#煤層老頂K4砂巖為承壓裂隙弱含水層，在斷層和節(jié)理發(fā)育地段，頂板會(huì)出現(xiàn)淋滴水現(xiàn)象，涌水在工作面迎頭匯集，對掘進(jìn)有一定影響。

5)掘進(jìn)方式。

實(shí)行全斷面跟底掘進(jìn)，一掘一支的作業(yè)方式，循環(huán)進(jìn)度 1．0 m(頂板不完整或遇地質(zhì)構(gòu)造時(shí)為0．8 m)。

6)礦壓觀測。

礦壓觀測使用頂板離層指示儀，錨桿錨索測力計(jì)，在距巷道開口處10 m安裝第一套，以后在巷道全錨支護(hù)段均每隔50 m布置1組，定期觀測并填寫觀測記錄。

2 原支護(hù)設(shè)計(jì)

2．1 巷道斷面

試驗(yàn)巷道位于馬蘭煤礦10503工作面專用回風(fēng)巷，巷道沿02#煤底板掘進(jìn)，全錨支護(hù)，巷道斷面矩形斷面，寬為 4 m，高為 2．5 m，凈斷面10 m2。

2．2 支護(hù)參數(shù)

圖1 巷道平面位置圖

馬蘭礦專用回風(fēng)巷道頂板采用錨桿+鋼帶+錨索+菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)形式，根據(jù)采區(qū)礦壓觀察，結(jié)合該礦實(shí)際情況，10503工作面運(yùn)輸巷頂錨桿選取型號(hào)為d22 mm×2 000 mm的加長錨固樹脂錨桿，頂板每排支護(hù)5根錨桿，錨桿間排距900 mm×1 000 mm，呈“五·五”排矩形布置，在兩排頂錨桿中間打入一對錨索，錨索長度5．3 m，間距2．4 m，排距3 m;鋼帶長度3．8 m;金屬菱形頂網(wǎng)規(guī)格為長×寬=3 200 mm×2 200 mm。

10503工作面專用回風(fēng)巷道幫錨桿選取型號(hào)為d20 mm×2 000 mm的端頭錨固樹脂錨桿+金屬菱形網(wǎng)+W托盤支護(hù)，間排為1 000 mm×1 000 mm，上排錨桿距頂板500 mm，其左幫、右?guī)途贾?根，具體支護(hù)見圖2。

圖2 原支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖

3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

以往主要是依據(jù)懸吊理論、組合拱理論或普式拱理論，采用工程類比法和計(jì)算公式法。根據(jù)原作業(yè)規(guī)程的支護(hù)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在計(jì)算過程中有部分參數(shù)選擇不恰當(dāng)，該礦進(jìn)行了改正，除了常規(guī)的理論計(jì)算，還利用國際著名巖土工程軟件FLAC進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對原方案進(jìn)行優(yōu)化，通過大量計(jì)算和比選，以選取最佳方案。

該方法主要內(nèi)容為“數(shù)值模擬初始設(shè)計(jì)—現(xiàn)場監(jiān)測—利用反饋信息修改設(shè)計(jì)”?，F(xiàn)場監(jiān)測非常關(guān)鍵，監(jiān)測取得的數(shù)據(jù)是作為二次修改設(shè)計(jì)的依據(jù)，修改設(shè)計(jì)后再應(yīng)用于實(shí)踐。經(jīng)過不斷地改進(jìn)支護(hù)設(shè)計(jì)，使錨桿支護(hù)更為經(jīng)濟(jì)、合理。在選定設(shè)計(jì)方法之后，還要根據(jù)不同的頂板巖性及地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，為快速掘進(jìn)提供技術(shù)依據(jù)。

3．1 數(shù)值模型的建立

3．1．1 網(wǎng)格的生成

結(jié)構(gòu)模型寬度、高度、進(jìn)深均取30 m。網(wǎng)格按巖層分區(qū)劃分，并且為不均勻劃分。坐標(biāo)原點(diǎn)取在模型的中心位置，z軸向上，x軸向右，y軸指向進(jìn)深。采用應(yīng)力邊界條件，模型的上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力，模型兩側(cè)面施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力，模型下表面固定。采用程序內(nèi)嵌的結(jié)構(gòu)單元模擬各種支護(hù)構(gòu)件。模型巖層分布示意圖見圖3。

圖3 數(shù)值模擬模型示意圖

巷道全斷面一次開挖，按具體方案的進(jìn)尺開挖，分10次掘進(jìn)完成。開挖通過對所開挖區(qū)段位移指定零模型實(shí)現(xiàn)。觀測斷面有3個(gè)，分別位于進(jìn)深y=1．5，4．5，7．5，在每個(gè)觀測斷面上，頂?shù)装搴蜕舷聨途乇┞堕L度設(shè)20個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

3．2 支護(hù)模擬結(jié)果

利用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，從位移場、應(yīng)變場和塑性區(qū)擴(kuò)展趨勢3個(gè)方面分析巷道周邊巖層的力學(xué)響應(yīng)情況，煤層回采巷道中各支護(hù)構(gòu)件在控制圍巖變形方面的作用，提出了巷道的最佳支護(hù)方案。方案變形量對比表見表1。

表1 方案變形量對比表

據(jù)計(jì)算結(jié)果，頂板下沉量增加3．97%;左幫變形量減少4．0%，右?guī)妥冃瘟繙p少2．46%，底板變形量增加4．66%。巷道變形量變化示意圖見圖4。原方案巷道圍巖變形及剪切區(qū)分布示意圖見圖5。優(yōu)化方案巷道圍巖變形及剪切區(qū)分布示意圖見圖6。

3．1．2 開挖與支護(hù)方式

3．3 最優(yōu)方案

通過對各個(gè)可行方案的比選，最終決定采用如下方案，見圖7。頂板支護(hù)由原來的3 m 1對錨索，改為3 m 1根，并用錨索替代中間眼位的錨桿，頂板角錨桿向外傾斜15°，幫部上排錨桿上傾15°，其他均同原支護(hù)參數(shù)，錨桿錨索規(guī)格不變。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，巷道的變形量均處于安全范疇。

圖7 優(yōu)化方案支護(hù)設(shè)計(jì)圖

4 試驗(yàn)效果

從2009年8月支護(hù)方案制定后，該礦分別于2009年10月7日、2010年1月25～26日進(jìn)行了兩次試驗(yàn)調(diào)查，檢查了10503工作面試驗(yàn)巷道的變形大小并選取了3個(gè)支護(hù)斷面長期觀察，分別是881 m處斷面、932 m處斷面和1 018 m處斷面，監(jiān)測斷面示意圖見圖8。巷道頂?shù)装宄两导皟蓭褪諗恳姳?。顯然，優(yōu)化后的支護(hù)方案既經(jīng)濟(jì)又安全，與原支護(hù)參數(shù)相比，巷道變形很小，支護(hù)效果良好。煤巷掘進(jìn)進(jìn)尺由原來的平均每月472 m，提高到7月500 m，8月531 m(全月掘進(jìn)30天，半煤巖6 m，全巖2 m)，9月523 m(全月掘進(jìn)29天，半煤巖巷20m，全巖8m)，10月510 m，11月613 m，12月613 m。其中，2010年1月11日夜班完成11排支護(hù)，即進(jìn)尺11 m，取得了班

組進(jìn)尺新高。

圖8 監(jiān)測斷面示意圖

表2 位移觀測表

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

5．1 直接經(jīng)濟(jì)效益

1)節(jié)約鉆頭費(fèi)用。

按平均打5個(gè)孔損壞1只鉆頭計(jì)算，每米節(jié)約鉆頭0．2個(gè)，則節(jié)約鉆頭費(fèi)用為：1/5×21元/個(gè) =3．15 元。

2)節(jié)約鉆桿費(fèi)用。

按平均每打50個(gè)孔消耗1根B19的2．4 m長的六角釬桿計(jì)算，鉆桿單價(jià)68元/m，則節(jié)約鉆桿費(fèi)：1/50×194．4 元/根 =3．9 元。

3)節(jié)約錨桿(索)支護(hù)材料費(fèi)。

每米巷道平均少打1．5根頂錨索，1/3根幫錨索，減少的錨索由錨桿代替，錨桿單價(jià)50元/套，錨索單價(jià)150元/套，則節(jié)約費(fèi)用(150－50)×(1．5+1/3)≈183．3 元/m。

4)降低的直接人工費(fèi)。

按日進(jìn)尺比原來提高3．0 m，每班12人，日出勤36人，按每工費(fèi)140元考慮，則每米巷道節(jié)約人工費(fèi)：36×140×(1/12－1/15)=84．0元。

5)每米節(jié)約總費(fèi)用。

3．15 元 +3．90 元 +183．3 元 +84 元 =274．35 元/m。

5．2 間接經(jīng)濟(jì)效益

按每個(gè)施工隊(duì)日進(jìn)尺比原來提高3．0 m，年施工11個(gè)月計(jì)算，每年可增新掘巷道990 m，馬蘭礦目前共有5個(gè)掘進(jìn)隊(duì)，每年可新增掘進(jìn)巷道4 950 m。

通過支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化，明顯提高了煤巷的掘進(jìn)速度，緩解了煤礦采掘緊張的嚴(yán)重局面;煤巷的支護(hù)系統(tǒng)更加合理，巷道整體穩(wěn)定性提高，不僅降低了巷道支護(hù)的成本，而且創(chuàng)造了安全的工作環(huán)境，防止安全事故的發(fā)生。

6 結(jié)論

采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠有效地模擬煤巷周圍的巖層條件，對理論計(jì)算的支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。在模擬過程中發(fā)現(xiàn)一些小的改動(dòng)也能很好的改善支護(hù)效果，如頂板角錨桿向外傾15°，兩幫上排錨桿向上傾15°等均能改善支護(hù)效果，明確支護(hù)的重點(diǎn)位置及頂板、兩幫錨桿錨索的方向。合理的支護(hù)設(shè)計(jì)有助于減少人力和材料的浪費(fèi)，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高時(shí)間利用率，提高掘進(jìn)速度。

煤巷支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了工時(shí)，提高了施工工效，實(shí)現(xiàn)了煤巷的快速掘進(jìn)，有效緩解了馬蘭礦較為緊張的銜接狀況。煤巷快速掘進(jìn)實(shí)現(xiàn)了安全、經(jīng)濟(jì)、高效的目標(biāo)，提高了工作效率、降低了材料消耗，為巷道快速掘進(jìn)、降低成本開辟了一條新的技術(shù)途徑。