梁文明

(汾西礦業(yè)集團(tuán)新柳煤業(yè)公司，山西省呂梁市，032000)

在綜采放頂煤技術(shù)不斷發(fā)展的今天，采掘設(shè)備大型化是必然趨勢(shì)，與之配套的巷道的斷面也隨之增大，大斷面巷道給巷道圍巖控制帶來了挑戰(zhàn)。尤其是當(dāng)巷道頂板破碎、支護(hù)不及時(shí)和不合理時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)頂板離層、巷道變形、片幫，甚至冒頂事故，所以對(duì)于大斷面煤巷選擇合理的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)具有重要的意義。

現(xiàn)階段，煤巷設(shè)計(jì)要綜合考慮支護(hù)安全、支護(hù)成本、掘進(jìn)進(jìn)度等因素，盡可能做到投入產(chǎn)出比最大化。常用的煤巷支護(hù)設(shè)計(jì)方法主要有工程類比、理論計(jì)算、數(shù)值模擬和監(jiān)控設(shè)計(jì)4種。本文在工程類比的基礎(chǔ)上給出改進(jìn)方案，利用FLAC3D數(shù)值模擬的先驗(yàn)性，最后通過工程監(jiān)測(cè)后驗(yàn)支護(hù)效果好壞及支護(hù)效果的合理與否。

1 工程概況

金莊礦2203運(yùn)輸巷位于＋1135水平，地面標(biāo)高為＋1488m，該段地層屬石炭系上統(tǒng)太原組C3t，2203運(yùn)輸巷建在3-5＃煤層底板，煤層傾角2°～3.5°，合并區(qū)煤層全厚平均為22.04m，純煤厚平均20.58m，煤層含多層夾石，其巖性為黑色炭質(zhì)泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，受地質(zhì)構(gòu)造影響煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，松軟破碎，普氏系數(shù)f＝1.1。頂、底板及夾矸巖性一般為高嶺巖、高嶺質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖或細(xì)粒砂巖。2203運(yùn)輸巷所處煤層較厚、煤體破碎，掘進(jìn)地質(zhì)條件復(fù)雜，支護(hù)困難。該巷為直角矩形斷面，巷道寬5.2m，高3.7m，鋪底為0.2mm，運(yùn)輸巷凈斷面積為18.2m2，如圖1所示。

圖1 運(yùn)輸巷斷面圖

原支護(hù)方案頂錨桿采用?22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900mm×1000mm，錨索采用 “三二三”布置，規(guī)格為?17.8mm×8300mm，排間距為2000mm×2000 mm。左幫采用?20mm×2200mm左旋螺紋玻璃鋼錨桿，間排距為1200mm×1000mm。右?guī)筒捎?22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1200mm×1000mm。巷道兩上肩窩處分別補(bǔ)打錨桿，規(guī)格同頂板錨桿。運(yùn)輸巷所在石炭紀(jì)特厚煤層受地質(zhì)構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙非常發(fā)育，煤體破碎，加之煤巷掘進(jìn)斷面大，導(dǎo)致巷道支護(hù)困難，支護(hù)時(shí)間長(zhǎng)，掘進(jìn)支護(hù)效率低。從原支護(hù)方案的支護(hù)效果看，巷道頂板存在兩幫移近量大，頂板離層嚴(yán)重的問題，時(shí)有漏頂、冒頂?shù)默F(xiàn)象發(fā)生，給生產(chǎn)安全帶來較大隱患。為更利于掘、支平衡和工作面的接替，保證礦井安全、高效和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，需要對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)原方案提供的支護(hù)參數(shù)和實(shí)際效果，結(jié)合該礦支護(hù)效果較好的同類巷道的支護(hù)方案，采用工程類比法設(shè)計(jì)了3種改進(jìn)方案。

(1)改進(jìn)方案1:與原支護(hù)方案相比，去掉頂板兩肩窩處補(bǔ)打的錨桿，頂板支護(hù)其余參數(shù)不變。兩幫的支護(hù)方式同原支護(hù)方案。

(2)改進(jìn)方案2:頂板支護(hù)參數(shù)如方案1。兩幫所有錨桿換成?22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿 (同頂錨桿的強(qiáng)度)，間排距保持不變。且每隔兩排用一根錨索替代原位置處一根錨桿，規(guī)格采用?15.24mm×5000mm。其余支護(hù)參數(shù)不變。

(3)改進(jìn)方案3:幫錨桿支護(hù)同方案二，頂錨桿支護(hù)方案為去掉巷道頂板兩肩窩處補(bǔ)打的錨桿，頂板的錨索支護(hù)由 “三二三”支護(hù)變?yōu)?“二二”支護(hù)，支護(hù)的排拒為1500mm，一排在兩鋼帶之間，一排在垂直距離1500mm的鋼帶兩端 (即巷道上頂角處)，且保持與豎直方向30°夾角進(jìn)行交替支護(hù)。

3 模型的建立

采用FLAC3D建立巷道的三維立體力學(xué)模型及計(jì)算模型網(wǎng)格，其幾何尺寸為50m×6m×45m，計(jì)算模型共有67992個(gè)單元和75478個(gè)節(jié)點(diǎn)。

巷道數(shù)值模擬為全斷面一次開挖，一掘一錨，模擬開挖進(jìn)尺為1m。模擬所用物理力學(xué)參數(shù)來自實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2203運(yùn)輸巷巖層物理、力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)

4 相對(duì)最優(yōu)方案的提出

運(yùn)用FLAC3D對(duì)3種支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與原方案進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

從表2中可以看出，改進(jìn)方案1和2的頂板最大位移量、幫部最大位移量及頂板錨桿最大軸力相差不大，幫錨桿的軸力比較大，接近屈服強(qiáng)度；改進(jìn)方案3的幫錨桿軸力也較大，因此應(yīng)該加強(qiáng)巷道幫部的支護(hù)強(qiáng)度。改進(jìn)方案3的頂板位移量要明顯小于其它兩種方案，此種方案的頂板支護(hù)是較優(yōu)的。

表2 支護(hù)方案的穩(wěn)定性分析

圖2 較優(yōu)方案支護(hù)布置圖

在綜合分析3種改進(jìn)方案的基礎(chǔ)上，同時(shí)綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和施工條件，設(shè)計(jì)出金莊礦2203運(yùn)輸巷優(yōu)化的支護(hù)方案，見圖2。

(1)頂板支護(hù)方案。巷道頂板采用規(guī)格為?22mm×2400mm的20MnSi左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900mm×1000mm，托盤均選用高強(qiáng)度托盤，托板規(guī)格為150mm×150mm×10 mm，錨桿錨固均采用兩支樹脂藥卷錨固，一支規(guī)格為K2335，另一支規(guī)格為Z2360，錨固長(zhǎng)度為1200mm，預(yù)緊力不小于60kN。

錨索為 “二二”布置，規(guī)格采用?17.8mm×8300mm，排距為1500mm，一排在兩鋼帶之間，一排在垂直距離1500mm的W鋼帶上的兩端 (即巷道上頂角處)，且保持與豎直方向30°夾角，進(jìn)行交替支護(hù)。配套金屬托板規(guī)格均為300mm×300mm×20mm。

頂板金屬網(wǎng)采用?6.0冷拔鋼筋制作，規(guī)格為2000mm×1000mm，網(wǎng)格為80mm×80mm。頂板托梁均選用W型鋼帶，規(guī)格為4700mm×220mm×3mm (長(zhǎng)×寬×厚)，錨桿均布置在鋼帶上。

(2)兩幫支護(hù)方案。巷道左幫為玻璃鋼錨桿同金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。玻璃鋼錨桿均采用?22mm×2400mm左旋螺紋樹脂錨桿，間排距為1000mm×1000mm。托盤均選用塑鋼托盤，托盤規(guī)格為150mm×150mm×10mm，螺帽均為塑鋼。玻璃鋼錨桿均采用樹脂藥卷錨固，規(guī)格為Z2360樹脂藥卷，錨固長(zhǎng)度為600mm，錨固力不小于70kN，玻璃鋼錨桿均采用三花布置。左幫采用塑料網(wǎng)，規(guī)格為2000mm×1000mm (長(zhǎng)×寬)，網(wǎng)格為50mm×50mm，鋼筋網(wǎng)與塑鋼網(wǎng)連接處不搭接。

巷道右?guī)筒捎?22mm×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1000mm×1000mm，托盤均選用高強(qiáng)度托盤，托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，錨桿錨固均采用兩支樹脂藥卷錨固，一支規(guī)格為K2335，另一支規(guī)格為Z2360，錨固長(zhǎng)度為1200mm，錨固力不小于6t，預(yù)緊力不低于60 kN。采用?6.0冷拔鋼筋制作的金屬網(wǎng)，規(guī)格為2000mm×1000mm，網(wǎng)格為100mm×100mm。

巷道底板鋪底厚度均為200mm混凝土，混凝土強(qiáng)度為C25。

(3)優(yōu)化方案與原方案對(duì)比分析。優(yōu)化方案與原方案的區(qū)別在于優(yōu)化方案將原方案上肩窩處的兩排錨桿放到了幫部，此時(shí)各幫每排有4根錨桿支護(hù)，頂板的錨索由 “五花”布置，變?yōu)?“二二”布置，且一排布置在錨帶中間，一排布置在錨帶兩端。2203運(yùn)輸巷采用改進(jìn)的優(yōu)化方案后各個(gè)指標(biāo)如表3所示，優(yōu)化后的方案在巷道圍巖的位移量、塑性區(qū)及錨桿和錨索的受力控制方面都優(yōu)于原方案，使運(yùn)輸巷兩幫塑性區(qū)深度由原方案的4.43m減小到3.86m，減小了13.0%；幫部錨桿錨固力由150kN減小到108.5kN，減小了27.7%；頂板最大位移由45.6mm減小到34.8mm，減小了23.7%。由此可見，優(yōu)化后的方案能夠有效維持巷道的穩(wěn)定性，支護(hù)的安全性大大提高。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化方案與原方案相比，頂板兩肩窩處的2排錨桿移到兩幫安裝，使得安裝錨桿的時(shí)間減少，每支護(hù)100m長(zhǎng)巷道節(jié)省時(shí)間210min。另外，優(yōu)化后的錨索打在鋼帶孔內(nèi)替代錨桿，相當(dāng)于每排少打了3根錨桿，每6排多打了1根頂錨索，每支護(hù)100m長(zhǎng)巷道，多打7根頂錨索、66根錨桿，但每施工100m巷道卻節(jié)省支護(hù)時(shí)間262.8min。以上兩項(xiàng)使得每支護(hù)100m巷道累計(jì)節(jié)省時(shí)間472.8min。

表3 優(yōu)化方案與原方案支護(hù)效果對(duì)比

5 結(jié)語

(1)基于工程類比、數(shù)值模擬和工程監(jiān)測(cè)技術(shù)的綜合設(shè)計(jì)方法，能夠滿足大斷面煤巷支護(hù)安全、節(jié)約成本、加快進(jìn)度的要求。

(2)應(yīng)用FlAC3D進(jìn)行大斷面煤巷支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)能較快地得到優(yōu)化方案，為實(shí)現(xiàn)煤巷的快速安全高效支護(hù)提供基礎(chǔ)。優(yōu)化方案實(shí)施后，運(yùn)輸巷兩幫塑性區(qū)、幫部錨桿錨固力、頂板最大位移都比原來減小10%～30%，每支護(hù)施工100m節(jié)省時(shí)間約8h，明顯提高煤巷的掘進(jìn)速度。

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