張日林，王家臣，朱建明

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；2.山西潞安環(huán)能股份公司王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 0460312；3.北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100141)

我國(guó)厚煤層多年來(lái)一直采用分層和放頂煤開(kāi)采方法，其中分層開(kāi)采效率低，而放頂煤開(kāi)采存在資源回收率低。上述開(kāi)采方法對(duì)易自燃煤層、高瓦斯礦井存在瓦斯爆炸等不安全隱患，因此近年來(lái)在晉城、神東、邢臺(tái)、淮南、寧夏等地，相繼對(duì)5～7m煤層采用一次采全高開(kāi)采工藝[1-5]。該工藝一般需要布置寬5～6m、高為4～5m的特大斷面巷道。目前實(shí)施的一次采全高礦井其巷道斷面，一般均達(dá)到40m2，甚至更大。此類巷道的主要特點(diǎn)是巷道頂板一般留有2～3m的煤層。因此，隨斷面面積的增大，其支護(hù)難度也顯著增加，特別是在煤體比較破碎或者軟巖的條件下，大斷面托頂煤巷道支護(hù)問(wèn)題尤為突出[6]。上述情況，對(duì)巷道的支護(hù)措施提出了更高的要求，而支護(hù)參數(shù)的不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，則是實(shí)現(xiàn)巷道最終支護(hù)參數(shù)的關(guān)鍵[7]。

在潞安集團(tuán)王莊煤礦，其7105工作面運(yùn)輸巷道采用5.5m×4.5m大斷面巷道布置，沿底掘進(jìn)，形成了大斷面托頂煤巷道。由于該特大斷面托頂煤巷道跨度大，一旦巷道開(kāi)挖，頂煤極易離層、冒落，從而影響巷道的整體穩(wěn)定性。針對(duì)上述情況，文中結(jié)合王莊煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用比選與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)回采工作面運(yùn)輸巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，找出合適的支護(hù)參數(shù)，為該礦的支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 王莊煤礦地質(zhì)概況

王莊煤礦為潞安礦區(qū)大型生產(chǎn)礦井之一，礦井采用主斜結(jié)合的盤區(qū)石門、上下山開(kāi)拓方式。井田內(nèi)共有6個(gè)可采煤層，分別為3#、9#、10#、13#、15#-1、15#-3，總厚度為12.2m。其中，3#煤層為主采煤層，平均厚度6.5m，傾角2°～6°。煤層賦存穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。煤層中一般含夾矸3～5層，節(jié)理發(fā)育。直接頂為砂質(zhì)泥巖、泥巖，老頂為砂巖、中砂巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖。

2 支護(hù)參數(shù)選擇

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)王莊煤礦7105運(yùn)輸巷道的生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立有限元數(shù)值模型，如圖1所示。模擬范圍長(zhǎng)×高×寬為65m×44.5m×5m，模型中煤層、直接頂、直接底進(jìn)行細(xì)化處理。邊界條件：模型頂面(z=44.5m)邊界施加壓力使其等同于上覆巖層的重量，底面(z=0m)是固定鉸支座，垂直方向約束，x=0m、x=5m、y=0m和y=5m面施加水平方向位移約束。單元?jiǎng)澐郑翰捎胋rick初始網(wǎng)格，26000個(gè)網(wǎng)格，32322個(gè)結(jié)點(diǎn)[8-9]。

圖1 數(shù)值模擬模型

2.2 錨桿直徑

根據(jù)文獻(xiàn)[10]中的錨桿直徑與圍巖位移量的關(guān)系可知，隨著錨桿直徑的增大，錨桿控制巷道圍巖變形的效果明顯加強(qiáng)，無(wú)論是巷道頂板下沉量還是兩幫內(nèi)移量都顯著減小。同時(shí)，考慮到錨桿直徑與鉆孔孔徑的合理匹配，錨孔與錨桿直徑相差6～8mm，錨固效果最佳，4～10mm才能保證錨固效果[11-16]。

而在我國(guó)，煤礦普遍使用的錨孔直徑為28mm，適用的錨桿直徑為18～24mm?？紤]施工機(jī)具因素，確定頂板錨桿直徑為22mm、兩幫錨桿直徑為20mm，能滿足高錨固力、節(jié)約材料、施工方便的要求。

2.3 錨桿直徑

2.3.1 頂錨桿長(zhǎng)度

在計(jì)算7105運(yùn)輸巷道的頂錨桿長(zhǎng)度時(shí)，固定巷道兩幫錨桿的直徑為20mm、長(zhǎng)度為2400mm，巷道頂部錨桿的直徑為22mm，巷道頂、幫錨桿支護(hù)間排距都為850mm×900mm，通過(guò)改變頂錨桿長(zhǎng)度，確定頂板錨桿長(zhǎng)度合理的值。不同頂錨桿長(zhǎng)度下7105運(yùn)輸巷道的變形量，如圖2所示。

圖2 頂錨桿長(zhǎng)度對(duì)7105運(yùn)輸巷道頂板圍巖變形的影響

由圖2可知，頂錨桿長(zhǎng)度由2000mm增加到2400mm時(shí)，7105運(yùn)巷頂板下沉量迅速減小，由279mm減小到211mm，減小了24.2％；由2400mm增加到2600mm時(shí)，頂板下沉量?jī)H減小了10mm。因此，為了減小錨桿支護(hù)成本，考慮施工方便，從而提高施工速度，頂錨桿長(zhǎng)度選用2400mm。

2.3.2 幫錨桿長(zhǎng)度

在計(jì)算7105運(yùn)輸巷道的幫錨桿長(zhǎng)度時(shí)，固定頂錨桿直徑為22 mm、長(zhǎng)度為2400mm，幫錨桿直徑為20mm，頂、幫錨桿支護(hù)間排距都為850mm×900mm，通過(guò)改變幫錨桿長(zhǎng)度，確定兩幫錨桿長(zhǎng)度合理的值。不同幫錨桿長(zhǎng)度下7105運(yùn)輸巷道的變形量，如圖3所示。

圖3 幫錨桿長(zhǎng)度對(duì)7105運(yùn)巷兩幫圍巖變形的影響

由圖3可知，錨桿長(zhǎng)度由2000mm增加到2400mm 時(shí)，兩幫移近量由627mm減小到505mm，減小了 19.5％；由2400mm增加到2600mm時(shí),兩幫移近量減小了16mm。因此，幫錨桿長(zhǎng)度選用2400mm。

2.4 錨桿排距

根據(jù)上述分別對(duì)錨桿直徑及錨桿長(zhǎng)度的數(shù)值模擬研究可知，頂錨桿直徑為22mm、幫錨桿直徑為20mm，頂、幫錨桿長(zhǎng)度均為2400mm。并在此基礎(chǔ)上，設(shè)定錨桿間距850mm。為了對(duì)錨桿排拒進(jìn)行數(shù)值模擬，假定錨桿的排距分別為：700mm、900mm、1000mm和1200 mm。圖4所示的為不同排距下7105運(yùn)輸巷道的變形量。

圖4 排距對(duì)7105運(yùn)巷圍巖變形的影響

由圖4可知，隨著錨桿排距的增大，圍巖變形量增大，錨桿排距從700mm增大到1200mm，頂板下沉了61mm。因此，從安全和節(jié)約成本的角度考慮，7105運(yùn)輸巷道的錨桿排距確定為900 mm。

2.5 錨桿間距

根據(jù)上述支護(hù)參數(shù)優(yōu)化可知，頂錨桿直徑為22mm、幫錨桿直徑為20mm，頂、幫錨桿長(zhǎng)度均為2400mm，錨桿排距900mm。為了對(duì)錨桿間距進(jìn)行研究，假定錨桿間距為：700mm、850mm、1000mm 和1200mm。圖5所示的為不同間距下7105運(yùn)輸巷道變形量。

圖5 間距對(duì)7105運(yùn)巷圍巖變形的影響

由圖5可知，錨桿間距從700mm 增大到1000mm，頂板下沉量增加了18mm；而從1000mm 增大到1200mm，頂板下沉量增加了36mm。因此，從安全和節(jié)約成本的角度考慮，7105運(yùn)巷頂錨桿間距確定為850mm，幫錨桿間距確定為1000mm。

2.6 錨索支護(hù)

由于7105運(yùn)輸巷道的錨桿長(zhǎng)度為2400mm，巷道頂煤厚度1800mm，下部不穩(wěn)定煤層將不能有效地錨固到上部穩(wěn)定巖層中，同時(shí)該巷道斷面較大。因此，在7105運(yùn)輸巷道中采用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，擴(kuò)大錨桿支護(hù)范圍，充分發(fā)揮錨桿支護(hù)經(jīng)濟(jì)、快速、安全可靠的優(yōu)越性。

錨索采用直徑Φ18.9mm鋼絞線，采用在每2排錨桿打3根錨索的布置方案，即錨索間距為1400mm，排距為1800mm。

3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

經(jīng)過(guò)以上采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析可知，最終確定7105工作面運(yùn)輸巷道的支護(hù)參數(shù)為：

頂錨桿間距為850mm；幫錨桿間距為1000mm；頂錨桿直徑為22mm；幫錨桿直徑為20mm；頂、幫錨桿長(zhǎng)度均為2400mm，錨桿排距900mm；錨索直徑為Φ18.9mm的鋼絞線，間距為1400mm，排距為1800mm。

4 支護(hù)效果觀測(cè)

為研究大斷面托頂煤巷道的支護(hù)效果及巷道圍巖活動(dòng)規(guī)律，對(duì)大斷面托頂煤巷道進(jìn)行了圍巖表面位移、深部位移跟蹤監(jiān)測(cè)。

圖6所示為巷道表面位移監(jiān)測(cè)圖。由圖6可以看出，巷道開(kāi)挖后，表面位移監(jiān)測(cè)曲線快速上升，持續(xù)時(shí)間10d左右，頂?shù)装迤骄平俣葹?.7mm/d，兩幫平均移近速度為4.9mm/d。這是由于巷道開(kāi)挖后，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)迅速由三向變?yōu)槎颍畈繋r體中積聚的大量彈性能量突然釋放，承載能力下降，在上覆巖層壓力作用下，圍巖表面裂隙不斷擴(kuò)展，并且不斷向圍巖深部延伸，形成一定范圍的破碎區(qū)，巖體破碎后，體積膨脹，巷道表面位移快速增長(zhǎng)。

圖6 表面位移監(jiān)測(cè)曲線

圖7 深部位移監(jiān)測(cè)曲線

圖7所示為巷道深部位移監(jiān)測(cè)圖。由圖7可以看出，頂板向巷道方向移動(dòng)的范圍為5m；在5m以外測(cè)得圍巖向巷道最大移近量3mm，一般0～2mm；深部圍巖基本穩(wěn)定，在巷道表面0～2m的錨固區(qū)內(nèi)，圍巖最大位移為18 mm；錨桿承受較大的拉力，但錨固區(qū)最大位移遠(yuǎn)小于錨桿極限應(yīng)變值。頂板深度2～3m間圍巖運(yùn)動(dòng)劇烈，最大值為16mm；頂板深度4～5m圍巖運(yùn)動(dòng)差距最大，最大值為20mm，遠(yuǎn)小于錨索的極限應(yīng)變值，頂板比較安全。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)大斷面托頂煤巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，其主要結(jié)論有：

1) 通過(guò)分析不同直徑、長(zhǎng)度、間排距錨桿支護(hù)作用下圍巖控制效果，研究確定7105工作面運(yùn)輸巷道支護(hù)方案和支護(hù)參數(shù)；

2) 通過(guò)對(duì)7105工作面運(yùn)輸巷道圍巖表面位移、深部位移等的跟蹤監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該支護(hù)方案有效地控制了運(yùn)輸巷道圍巖變形。

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