蘇 旭

錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)的研究與應(yīng)用

蘇 旭

(西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

鎮(zhèn)城底礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，南六采區(qū)為2.3#煤層目前及今后的主要采區(qū)，受地質(zhì)構(gòu)造的影響，采掘接替緊張，巷道掘進(jìn)施工任務(wù)重、時(shí)間緊。為了提高巷道單進(jìn)水平和掘進(jìn)效率，在保證巷道支護(hù)強(qiáng)度的前提下，通過(guò)FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)模擬參數(shù)優(yōu)化巷道頂板支護(hù)參數(shù)，減少巷道支護(hù)材料的使用數(shù)量，縮短支護(hù)鉆孔時(shí)間，從而縮短施工作業(yè)循環(huán)時(shí)間，提高掘進(jìn)效率。

煤巷;錨桿支護(hù);數(shù)值模擬;參數(shù)優(yōu)化

西山煤電股份公司鎮(zhèn)城底礦位于西山煤田的西北邊緣，處在獅子河向斜與馬蘭向斜的結(jié)合部位。從井田整體構(gòu)造形態(tài)看，略成一個(gè)向南傾伏的波浪狀且西北高東南低的不對(duì)稱向斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，且多集中在礦區(qū)的西北部的成家曲、赤泥巖及陰家溝三段內(nèi)。褶曲構(gòu)造多為輾轉(zhuǎn)彎曲型，局部陷落柱發(fā)育。礦井從建井到2011年底共揭露斷層653條，其中斷層落差≥3.0 m的斷層169條，斷層落差＜3.0 m的斷層484條;揭露陷落柱107個(gè)。地層產(chǎn)狀變化不大，地質(zhì)條件分類報(bào)告評(píng)定為復(fù)雜型，即Ⅲ－Ⅲa、Ⅱb、Ⅱd、Ⅰef。

礦井南六采區(qū)為2.3#煤層目前及今后的主要采區(qū)，受地質(zhì)構(gòu)造的影響，采掘接替緊張，巷道掘進(jìn)施工任務(wù)重、時(shí)間緊。為了提高巷道單進(jìn)水平和掘進(jìn)效率，考慮在保證巷道支護(hù)強(qiáng)度的前提下，通過(guò)優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，減少巷道頂板支護(hù)材料的使用數(shù)量，縮短支護(hù)鉆孔時(shí)間，從而縮短施工作業(yè)循環(huán)時(shí)間，提高掘進(jìn)效率。利用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)模擬參數(shù)對(duì)巷道頂板支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并在南六采區(qū)22618工作面順槽施工成功實(shí)施，取得了良好的支護(hù)效果。

1 工作面概況

1.1 概述

22618工作面所采煤層為2.3#煤層，煤層穩(wěn)定，整體呈馬鞍形狀，大致由北東向南西傾斜，整體呈一單斜構(gòu)造，平均傾角7°左右，煤層平均厚度3.5 m，煤層結(jié)構(gòu)為2.3 m(0.5m)0.7 m。煤層頂、底板巖層及特征見(jiàn)表1。順槽凈寬4.5 m，凈高3.0 m，均沿2.3#煤層頂板掘進(jìn)施工，計(jì)劃循環(huán)進(jìn)尺1.8 m，日進(jìn)尺16.2 m。

表1 煤層頂、底板巖性特征

1.2 原巷道支護(hù)方案

頂板支護(hù)：采用“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)。錨桿：d20 mm×2 200 mm螺紋鋼，間排距 850 mm ×900 mm;錨索：d17.8 mm ×6 500 mm鋼絞線，“五花”型布置，間距1 200 mm(3根)，1 500 mm(2根)，排距2 700 mm。頂板支護(hù)平面圖見(jiàn)圖1。

巷幫支護(hù)：采用“錨桿+梯子梁+鐵絲網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)。錨桿：d20 mm×2 200 mm螺紋鋼，間排距900 mm×1 000 mm。巷幫支護(hù)如圖2所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

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)面施加法向約束，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。模擬巖層分布見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 開(kāi)挖監(jiān)測(cè)

本構(gòu)件模型采用摩爾—庫(kù)倫模型。巷道全斷面一次開(kāi)挖，按計(jì)劃進(jìn)尺開(kāi)挖，開(kāi)挖通過(guò)對(duì)所開(kāi)挖區(qū)段位移指定零模型實(shí)現(xiàn)，同時(shí)依據(jù)方案對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)。監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置在進(jìn)深1.5 m，在監(jiān)測(cè)斷面上，頂?shù)装搴蜕舷聨途乇┞堕L(zhǎng)度設(shè)20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

按循環(huán)進(jìn)尺1.8 m模擬巷道掘進(jìn)，在支護(hù)措施的控制下，得到的巷道數(shù)值模擬最終變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如下：

頂板豎向位移最大值2.925 7cm(↓)

底板豎向位移最大值1.289 0cm(↑)

左幫水平位移最大值4.928 2cm(→)

右?guī)退轿灰谱畲笾?.456 3cm(←)

進(jìn)深1.5 m監(jiān)測(cè)斷面位移云圖見(jiàn)圖4，圖5。

2.4 結(jié)果分析

位移云圖分析：通過(guò)圖4，圖5觀察，頂板中部和底板中部為豎向位移最大區(qū)域，左幫在距離幫頂約1.5～2.5 m區(qū)域?yàn)樗阶畲笪灰品植紖^(qū)。左幫位移稍大于右?guī)臀灰?，片幫和冒頂現(xiàn)象較顯著。

受力分析：剪切狀態(tài)圖見(jiàn)圖6，灰色區(qū)域?yàn)檎诎l(fā)生剪切破壞狀態(tài)的圍巖，其中幫部破壞顯著。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線分析：隨著開(kāi)挖的進(jìn)尺，頂、底板及兩幫的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值趨于收斂，表面繼續(xù)施工對(duì)該斷面的位移影響將逐漸減小，掘進(jìn)對(duì)該斷面穩(wěn)定程度屬于可控范圍。頂板中點(diǎn)位移曲線和兩幫中點(diǎn)位移曲線見(jiàn)圖7，圖8。

最大水平主應(yīng)力分析：模擬中得出的最大水平主應(yīng)力分布方向與巷道軸向方向夾角較小，故兩幫較頂、底板承受較大的圍巖應(yīng)力。

3 優(yōu)化方案

根據(jù)模型數(shù)值模擬分析，對(duì)巷道頂板、兩幫支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，具體調(diào)整、優(yōu)化的參數(shù)有：錨桿的直徑和長(zhǎng)度;幫錨桿距頂板的預(yù)留距;錨索的布置形式及間排距等。

通過(guò)對(duì)以上參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行排列組合，共形成10種優(yōu)化方案，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果比對(duì)，選定最佳支護(hù)方案，達(dá)到優(yōu)化支護(hù)參數(shù)的目的。

優(yōu)化后巷道支護(hù)方案：

頂板支護(hù)：采用“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)。錨桿：d20 mm×2 200 mm螺紋鋼，間排距 850 mm ×900 mm;錨索：d17.8 mm ×6 500 mm鋼絞線，“三花”型布置，間距2 700 mm(2根)，居中(1根)，排距1 350 mm。頂板支護(hù)平面圖見(jiàn)圖9。

圖9 優(yōu)化后頂板支護(hù)平面圖

巷幫支護(hù)：維持原巷幫支護(hù)形式，采用“錨桿+梯子梁+鐵絲網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)。錨桿：d20 mm×2 200 mm螺紋鋼，間排距900 mm×1 000 mm。只把幫錨桿距頂板的預(yù)留距由原方案的300 mm調(diào)整為500 mm。巷幫支護(hù)平面見(jiàn)圖10。

圖10 優(yōu)化后巷幫支護(hù)平面圖

4 結(jié)論

通過(guò)以上優(yōu)化方案分析，可以得出：

1)技術(shù)效果。

a)利用原頂板支護(hù)錨桿位置空出兩孔布置錨索，減少了錨索的鉆孔時(shí)間和鉆孔工作量，并維持了頂板的整體性。b)減少了錨桿和錨索的使用數(shù)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了頂板整體支護(hù)強(qiáng)度。

2)經(jīng)濟(jì)效益。

以長(zhǎng)度6.3 m巷道頂板支護(hù)為例，優(yōu)化支護(hù)方案在提高了支護(hù)強(qiáng)度的前提下比原支護(hù)方案少使用了4根錨桿，1根錨索。目前錨桿單價(jià)為65.8元/套，錨索單價(jià)為184.3元/套，共計(jì)減少費(fèi)用447.5元，平均每米巷道減少支護(hù)費(fèi)用約71元。按22618工作面順槽工程量為4 000 m，可節(jié)省支護(hù)費(fèi)用約28.4萬(wàn)元。

在鎮(zhèn)城底礦2.3#煤層煤巷施工中，在地質(zhì)構(gòu)造或頂板巖層不穩(wěn)定的情況下，使用這種支護(hù)方法，有效地降低了支護(hù)材料的使用量，并提高了頂板支護(hù)強(qiáng)度，具有較好的推廣和使用價(jià)值。

Research and Application on Bolt Supporting Parameters Optimization Technology

Su Xv

The fracture structure develop in Zhenchengdi coal mine，No.6 south mining area is the main mining area of No.2.3 coal seam at present and the future.By the influence of the geological structure，digging replacing is strained，the task of the construction of tunneling is heavy，time is tight.In order to improve the single tunneling level and tunneling efficiency，in the premise of ensuring support strength of the roadway，through the FLAC3D software carries out numerical simulation experiment，Based on the simulation parameters optimizes the support parameters of the roadway roof，reduces the number of use support material，shortens support drilling time，so as to shorten the construction operation cycle time，improve tunneling efficiency.

Coal roadway;Bolt support;Numerical simulation;Parameter optimization

TD353+.6

A

1672－0652(2012)04－0032－03

2012－02－24

蘇 旭(1984—)，男，山西神池人，2007年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，助理工程師，主要從事采掘設(shè)計(jì)、支護(hù)設(shè)計(jì)工作(E －mail)39488367@qq.com