楊俊山

(霍州煤電集團(tuán) 呂梁山煤電有限公司，山西 方山 033199)

在不同地質(zhì)條件、頂板巖層特征、礦壓顯現(xiàn)狀態(tài)下的礦井掘進(jìn)巷道，圍巖的變形特征也會呈現(xiàn)出明顯的差異化。選用適合本礦井煤層巷道的支護(hù)方式、支護(hù)器材，能提高巷道的抗變形能力，有效預(yù)防頂板事故，使得支護(hù)成本降低，防止圍巖事故的發(fā)生。

店坪煤礦采用“中厚煤層切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)”，降低了工人的作業(yè)量，提高了煤炭回采率，但是與普通的巷道圍巖結(jié)構(gòu)不同，沿空留巷圍巖特征存在特殊性，所以必須對支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計分析并實(shí)踐驗證，確保巷道支護(hù)具有較高的支護(hù)性能。根據(jù)店坪煤礦9-207工作面巷道圍巖變形的特殊性，對最初設(shè)計的支護(hù)方案采用FLAC3D仿真計算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，并對現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，驗證巷道支護(hù)設(shè)計方案的合理性。

1 店坪煤礦9-207工作面概況

店坪煤礦9-207工作面位于830水平南翼，東與830南翼軌道巷相通，西至井田邊界，南為實(shí)體煤，北與9-209工作面相鄰，9#煤上部主要可采煤層為5#煤層，工作面上部對應(yīng)5#煤為實(shí)體煤。9#煤與5#煤垂向?qū)娱g距為60～65 m，煤層平均厚度為3 m. 工作面煤體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，整體呈一寬緩向斜構(gòu)造。工作面地表溝壑縱橫，無河流、水庫等水體，但雨季溝內(nèi)可能有部分積水滲入地下。9-207工作面平面圖見圖1.

圖1 9-207工作面平面圖

2 9-207工作面支護(hù)方案設(shè)計

2.1 頂板支護(hù)

2.1.1支護(hù)方式

工作面巷道均為矩形斷面，巷凈寬4.8 m，巷凈高2.9 m. 頂部錨桿采用“六、六”原則支護(hù)，間排距900 mm×1 000 mm，中間兩根錨桿間距為1.1 m，巷道幫錨桿采用“三、三”原則支護(hù)，間排距為1 000 mm×1 000 mm，最上一根幫錨桿距頂0.3 m. 頂錨桿采用20#左旋螺紋高強(qiáng)鋼筋，長度為2 000 mm，鋼材屈服強(qiáng)度為332 MPa，墊片采用d130 mm×8 mm蝶形墊片，配高強(qiáng)度螺母。錨桿預(yù)緊扭矩不低于280 N·m，見圖2.

圖2 巷道斷面支護(hù)設(shè)計圖

2.1.2錨索形式和規(guī)格

巷道頂板支護(hù)錨索選用低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，d19 mm. 錨索長度達(dá)6.2 m，施工錨索鉆孔d2 cm，樹脂加長錨固，采用1條CK2340 和2條Z2360樹脂錨固劑，錨固有效長度為2 m. 錨索支護(hù)采用“二、二”支護(hù)原則，間排距2 m，距離幫部1.5 m，排距3 m. 錨索支設(shè)于兩排錨桿間的頂板中部。錨索板采用0.3 mm×0.3 mm×12 mm方形高強(qiáng)錨索托板，錨索張拉預(yù)緊力200～260 kN，見圖3.

2.2 掘進(jìn)巷幫支護(hù)

左幫錨桿采用d20 mm×2 000 mm左旋螺紋高強(qiáng)錨桿，鋼材屈服強(qiáng)度為332 MPa，配高強(qiáng)度螺母。墊片采用d130 mm×8 mm蝶形墊片，每根錨桿采用一條CK2360型樹脂錨固劑，右?guī)湾^桿選用d16 mm×1 500 mm的普通圓型鋼支護(hù)錨桿，選用鋼材的屈服強(qiáng)度是290 MPa. 墊片采用d100 mm×6 mm蝶形墊片，每根錨桿采用一條CK2340型樹脂錨固劑。

圖3 巷道錨索支護(hù)平面圖

3 錨桿錨索數(shù)值模擬分析

為了獲得錨桿、錨索在巷道圍巖支護(hù)過程中起到的作用，驗證設(shè)計支護(hù)方案的合理性，應(yīng)用FLAC3D仿真計算軟件模擬方法，對工作面圍巖支護(hù)中選用的錨桿和錨索的作用進(jìn)行模擬計算。依據(jù)煤巖層實(shí)際情況，設(shè)計FLAC3D數(shù)值模型，其尺寸設(shè)計為50 m×50 m×50 m，巷寬4.8 m、巷高3.0 m. 模型底部固定約束，四周法向位移固定。垂直、水平應(yīng)力分別施加16 MPa、22 MPa，采用FLAC3D軟件內(nèi)置的Mohr - Coulomb 模型進(jìn)行計算，模型煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 數(shù)值模擬參數(shù)表

3.1 錨桿預(yù)應(yīng)力數(shù)值模擬分析

對錨桿施加的預(yù)應(yīng)力從最初的20 kN 升高至80 kN，錨固的范圍區(qū)域不斷擴(kuò)大。當(dāng)施加30 kN的預(yù)應(yīng)力時，托板和錨固端周圍出現(xiàn)的錨固凝聚應(yīng)力環(huán)范圍不是很大; 當(dāng)施加力提高到50 kN時，效力區(qū)域隨之變大，錨桿和錨桿之間產(chǎn)生的應(yīng)力形成一定的疊加；當(dāng)施加力提高到80 kN時，錨固段和托板之間生成壓應(yīng)力區(qū)，同時，錨桿之間形成了相互疊加現(xiàn)象。由此頂錨桿和左幫錨桿扭矩要求不低于280 N·m,右?guī)湾^桿扭矩不得低于100 N·m.

3.2 錨桿間排距數(shù)值模擬分析

除了支護(hù)中的錨桿預(yù)應(yīng)力外，另外一個重要的參數(shù)就是錨桿密度，錨桿間排距的選擇影響礦井生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，選用最小的錨桿支護(hù)密度，達(dá)到穩(wěn)定的支護(hù)效果一直是巷道支護(hù)追求的原則和方向。該礦非沿空留巷的巷道間排距一般為900 mm×900 mm，而9-2072巷為了留巷成功，減小巷道整修量，巷道加寬，該次設(shè)計為900 mm×1 000 mm. 錨桿支護(hù)效果對比圖見圖4，由圖4可以看出，設(shè)計的錨桿間排距支護(hù)效果良好。

圖4 錨桿支護(hù)效果對比圖

3.3 錨索作用模擬分析

錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)是現(xiàn)代錨桿支護(hù)中一種最常見的方式。錨索的作用主要體現(xiàn)在針對錨桿支護(hù)部位深度不足加以彌補(bǔ)，錨索不僅可以有效調(diào)動深部圍巖的完整性和承載能力，還可以有效連通巖層深部和淺部的應(yīng)力，使巖土承載共同體范圍擴(kuò)大，錨索支護(hù)效果見圖5.

由圖5可知，錨桿間距過大過小都是不可取的，過大支護(hù)作用效果不明顯，過小支護(hù)效果反而減弱。因此，結(jié)合該礦巷道參數(shù)和整個巷道支護(hù)的安全、經(jīng)濟(jì)性，將錨桿的間排距均控制在0.9～1.1 m，錨索間距2 m,排距3 m.

圖5 錨索支護(hù)效果圖

4 現(xiàn)場支護(hù)效果檢驗

巷道施工期間，巷道表面的位移監(jiān)測特別重要。因此，對巷道頂板、兩幫中間部位進(jìn)行持續(xù)一個月的現(xiàn)場監(jiān)測，并繪制實(shí)測曲線圖，見圖6.

圖6 巷道頂板離層、兩幫位移實(shí)測曲線圖

從圖6可以看出，錨固區(qū)范圍的巖層沒有出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象，頂板錨固狀況良好,兩幫初期變形量較快， 但變形量不是很大，能夠保證圍巖的穩(wěn)定，不影響巷道的安全使用。由此說明，最初的設(shè)計方案是合理有效的。

5 結(jié) 語

應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對巷道支護(hù)設(shè)計進(jìn)行數(shù)值模擬，驗證了支護(hù)方案的合理性，通過對巷道變形監(jiān)測點(diǎn)的觀測，驗證了支護(hù)效果穩(wěn)定可靠，模擬結(jié)果符合理論分析，支護(hù)設(shè)計合理。