孟 雷

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 官地礦,太原 030024)

我國煤炭資源的分布較廣,賦存條件也大不相同,開采賦存條件較為復(fù)雜的煤礦時(shí),沖擊災(zāi)害成為了開采工作的一大難題,由于頂板的突然斷裂產(chǎn)生的大面積崩塌等問題造成煤礦開采的難度逐步增大,所以研究巷道的支護(hù)已經(jīng)成為了一個(gè)老生常談的問題,眾多學(xué)者對(duì)煤礦的支護(hù)問題做出了研究。張琪[1]等人對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性控制進(jìn)行了研究,通過對(duì)工作面巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,分析了巷道圍巖受采動(dòng)影響的變化規(guī)律,結(jié)果證明了優(yōu)化可以有效的減小巷道的圍巖變形。馬鑫[2]等人采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方式對(duì)采空區(qū)的頂板應(yīng)力分布和圍巖變形進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)了煤柱通過底板巖層施加的垂直應(yīng)力是造成下部開采煤層巷道產(chǎn)生失穩(wěn)破壞的主要因素。韓連昌[3]等人通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)了巷道變形的誘因,提出了基于高壓耦合支護(hù),關(guān)鍵支撐部位應(yīng)力加強(qiáng)等方法對(duì)巷道的支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,且通過現(xiàn)場實(shí)踐證明了優(yōu)化的可行性與實(shí)用性。徐玉勝[4]等人采用耦合讓亞支護(hù)理論對(duì)大斷面巷道的支護(hù)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),表明了選定的支護(hù)方案的可行性,為以后的研究提供了一定的方向引導(dǎo)。

官地礦南五區(qū)下組煤軌道巷位于官地礦南五區(qū),埋深達(dá)到700 m以上,前期掘送采用錨桿支護(hù),巷道變形嚴(yán)重,為解決此問題,本文對(duì)原有的支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化,通過對(duì)支護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化對(duì)頂板的受力情況進(jìn)行了分析,并利用數(shù)值模擬軟件對(duì)頂板底板的移近量做出了分析和研究。將優(yōu)化方案應(yīng)用于現(xiàn)場后,取得了良好的支護(hù)效果。

1 模擬參數(shù)設(shè)定

通常認(rèn)為巷道變形所受到的載荷來自于巷道周圍的巖石,范圍大約為巷道支護(hù)范圍的1.5倍,所以在研究巷道時(shí)可以忽略掉巷道周圍自身寬度1.5倍以外的巖石對(duì)巷道的影響。不同位置的巖石對(duì)巷道的影響也有所不同,在研究時(shí)可以把巖石分為內(nèi)部巖層和外部巖層,內(nèi)部巷道在巷道支護(hù)上起著穩(wěn)定頂板的作用,外部巖層穩(wěn)定性通過內(nèi)部巖層的穩(wěn)定性來體現(xiàn)。支護(hù)時(shí),支架與內(nèi)部巖層會(huì)形成一個(gè)整體共同承擔(dān)著外部巖層的載荷,所以通過對(duì)其結(jié)構(gòu)和相互影響的研究,可以為巷道的變形控制提供一定的方法[5]。

官地礦南五盤區(qū)8#煤煤層厚度為6.5 m,回采巷道沿著工作面底板開始掘進(jìn),巷道的埋深為700 m以上。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),錨索的作用主要是將快要脫落的巖石進(jìn)行控制,將其固定在穩(wěn)定的巖層上,從而達(dá)到支護(hù)的效果,同樣可以用于加強(qiáng)巖層本身的結(jié)合性,提升巖層本身的抗壓強(qiáng)度,所以錨索支護(hù)比錨桿支護(hù)具有更強(qiáng)的支護(hù)性能。錨桿錨索相互作用關(guān)系圖見圖1。

圖1 錨桿錨索相互作用關(guān)系圖Fig.1 Anchor and cable interaction

如圖1所示,圖中1為圍巖支護(hù)的特性曲線;2為錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的特性曲線;3為錨巖支護(hù)的特性曲線。剛開始開挖時(shí)采用錨桿支護(hù)為主要的支護(hù)方法,隨著開挖的進(jìn)行同時(shí)使用錨索支護(hù)輔助,錨桿和錨索的相互輔助可以有效的對(duì)巷道提供支護(hù)作用,減少巷道圍壓的變形量和巷道的沖擊災(zāi)害。錨桿選用螺旋鋼材質(zhì)的錨桿,并選用左旋式螺旋剛將錨桿充分打入圍巖中,使得錨桿與圍巖之間的作用力加強(qiáng)。錨桿的直徑選擇時(shí)考慮到錨桿與鉆孔直徑的關(guān)系,選取鉆孔直徑為28 mm,錨桿直徑為22 mm。錨桿的長度選擇依據(jù)如下公式:

La=Lb+Lc+Ld.

式中:La為錨桿的選取長度,m;Lb為錨桿打入巖層后外露的長度,m;Lc為錨桿的有效長度一般取為2 m(根據(jù)松動(dòng)圈確定);Ld為錨桿的錨固長度,m。

通過上式的計(jì)算可以得出錨桿的長度為2.6 m。根據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)布置14根錨桿,布置情況如圖2所示。

圖2 錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)斷面圖Fig.2 Cross-sectional view of combined support of anchor and cable

2 支護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化后的數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D模擬軟件對(duì)某礦回采巷道的支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究,設(shè)計(jì)巷道的斷面尺寸為4.5 m×2.6 m,模型設(shè)計(jì)的開挖已經(jīng)達(dá)到90 m。通過觀察模型確定最大的應(yīng)力集中區(qū),并通過現(xiàn)場監(jiān)測觀察頂板和底板的移近量,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn),將模型的彈性模量設(shè)置為210 GPa,錨桿的屈服應(yīng)力設(shè)置為153 kN,錨固力設(shè)置為120 kN,錨桿的預(yù)緊力設(shè)置為40 kN。數(shù)值模擬云圖如圖3所示。

3-a 未優(yōu)化前支護(hù)應(yīng)力云圖

3-b 優(yōu)化后的支護(hù)應(yīng)力云圖圖3 優(yōu)化前后的支護(hù)應(yīng)力云圖Fig.3 Nephogram of supporting stress before and after optimization

對(duì)比圖3云圖可以明顯看出,優(yōu)化后的支護(hù)方案明顯優(yōu)于原有的支護(hù)方案,應(yīng)力集中區(qū)域幾乎相同,優(yōu)化后的應(yīng)力值范圍為23 MPa到30 MPa,較優(yōu)化前的22 MPa到24 MPa上升了許多,充分說明了優(yōu)化后的支護(hù)方式對(duì)圍巖的支護(hù)效果更加優(yōu)越,支護(hù)強(qiáng)度也有所增大,支護(hù)的整體性得到了很大的提升,優(yōu)化后的支護(hù)方案對(duì)巷道的整體性和穩(wěn)定性提供了良好的輔助作用。

通過對(duì)巷道頂板和底板安裝位移測量裝置,對(duì)巷道頂板和底板的移近量進(jìn)行研究,支護(hù)方案優(yōu)化前后頂板和底板的移近量對(duì)比如圖4所示。

由圖4可知優(yōu)化后的支護(hù)方案(錨桿錨索圍巖共同支護(hù)系統(tǒng))中頂板和底板的移近量明顯小于優(yōu)化前的支護(hù)方案,且支護(hù)方案優(yōu)化前后的頂板底板移近量呈現(xiàn)出對(duì)稱的趨勢,對(duì)稱中心為支護(hù)系統(tǒng)中點(diǎn)的位置,在原先的支護(hù)方案下支護(hù)系統(tǒng)中點(diǎn)的位置,上下頂板和底板的移近量為154 mm,而對(duì)支護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化后,在支護(hù)系統(tǒng)的中點(diǎn)的位置,上下頂板和底板的移近量僅為92 mm,優(yōu)化后的支護(hù)方案在相同的條件下頂板和底板的移近量減少了約62 mm,可以看出優(yōu)化后的支護(hù)方案更加優(yōu)越,對(duì)頂板和底板的控制更好,而在距離支護(hù)系統(tǒng)中點(diǎn)位置2 m的位置,頂板和底板的移近量大約減少了22 mm。可以看出采用錨桿錨索的支護(hù)方案可以有效的減小頂板和底板的變形,維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。

圖4 支護(hù)方案優(yōu)化前后頂板和底板的移近量示意圖Fig.4 Roof-to-floor convergence before and after optimization

3 結(jié)束語

本文對(duì)官地礦南五區(qū)下組煤軌道巷的支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化,并利用FLAC3D模擬軟件對(duì)支護(hù)方案優(yōu)化前后的應(yīng)力云圖和頂板底板的移近量進(jìn)行研究和分析,將優(yōu)化方案應(yīng)用于施工現(xiàn)場,使巷道的變形量得到了有效的控制,可以在同類巷道掘送中推廣使用。