楊 揚

（山西焦煤集團有限責任公司杜兒坪煤礦，山西 太原030022）

引言

一直以來，煤礦安全生產(chǎn)備受企業(yè)和作業(yè)人員的關(guān)注。實際生產(chǎn)中，綜采設(shè)備的可靠性和對工作面巷道圍巖的有效控制是保障煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。就工作面巷道圍巖控制效果而言，其主要受制于工作面巷道的支護效果和質(zhì)量。錨桿錨索聯(lián)合支護為煤礦生產(chǎn)中常見的支護方式，其目前被廣泛應(yīng)用于小跨度矩形煤巷的支護中，而對于大跨度矩形煤巷的支護方案還有待進一步優(yōu)化和改進[1]。本文著重研究錨桿錨索聯(lián)合支護在大跨度、大斷面巖層和煤層中的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對支護效果進行數(shù)值模擬分析。

1 工程概況

某煤礦的設(shè)計生產(chǎn)能力為6 Mt/年，該煤礦切眼跨度的寬度范圍在8.6～10.6 m之間，切眼高度為3.6 m，屬于大跨度、大斷面煤礦。以某煤礦的107工作面為研究對象，該工作面煤層的平均厚度為4.5 m，煤層的普式硬度為2，該工作面煤層的厚度和層位相對穩(wěn)定，屬于穩(wěn)定煤層。107工作面的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 107工作面頂?shù)装迩闆r

經(jīng)現(xiàn)場勘測可知：107工作面的走向長度為260m，工作面巷道斷面的形狀為矩形，且矩形的寬度為8.6 m，高度為3.6 m，屬于大跨度煤巷。

2 大跨度煤巷支護方案的確定

經(jīng)統(tǒng)計，目前可應(yīng)用于綜采工作面的支護方案包括有：錨桿支護，錨桿與金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，錨桿、金屬網(wǎng)與梁的聯(lián)合支護，錨桿與噴射混凝土的聯(lián)合支護以及錨桿、網(wǎng)、梁、噴射混凝土的聯(lián)合支護。

其中，錨桿支護適用于巷道相對完整且堅硬的工作面，在支護中容易出現(xiàn)支撐松動或巷道圍巖被破壞的現(xiàn)象；為此，在錨桿支護的基礎(chǔ)上加網(wǎng)變相增大了錨桿支護的作用范圍，但錨桿與網(wǎng)的聯(lián)合支護無法滿足巷道破壞且變形較大的巷道。因此，在錨桿與網(wǎng)聯(lián)合支護的基礎(chǔ)上為其增加了錨梁，雖然進一步提升了支護的可靠性，但是，鑒于錨桿長度的局限性導(dǎo)致該種支護方式僅有效適用于小跨度煤巷[2]。為解決錨桿長度局限的問題，一般將錨桿支護聯(lián)合應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，可在錨桿、網(wǎng)以及錨梁聯(lián)合支護的基礎(chǔ)上增加錨索支護，以提升錨桿支護的適用范圍。

因此，針對107工作面大跨度煤層的特點，采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)以及錨梁的聯(lián)合支護方案。

3 錨桿錨索聯(lián)合支護的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)107工作面的地質(zhì)、水文以及煤層條件，初步設(shè)定部分支護參數(shù)如下頁圖1所示。

如圖1所示，107工作面所采用錨索支護的間距為1.4 m，錨索排間距為1.4 m；對應(yīng)頂部錨桿的間距為700 mm，錨桿排間距為700 mm；對應(yīng)幫部錨桿的間距為1 000 mm，錨桿排間距為1 000 mm，所選錨桿包括有玻璃錨桿和金屬錨桿。

3.1 錨索具體參數(shù)的確定

根據(jù)107工作面在實際生產(chǎn)中的頂板壓力等參數(shù)的測定結(jié)果，結(jié)合不同直徑錨桿所承受的承載力和抗拉強度不同。本工作面最終選擇錨索直徑為21.8 mm。結(jié)合107工作面在實際生產(chǎn)中可能存在冒落的最大高度為7 m，且頂板冒落后要求錨索深入其中的深度最少為1 m，錨索的外露長度為0.3 m，錨索的錨固長度為2 m，理論上錨索的長度應(yīng)為10.3 m。但是，由于工作面煤層、地質(zhì)條件的動態(tài)變化，最終將錨索長度確定為12.3 m。

圖1 錨桿錨索聯(lián)合支護參數(shù)的初步設(shè)計（單位：mm）

因此，經(jīng)分析可得錨索的直徑為21.8 mm，錨索長度為12.3 m。

3.2 錨桿參數(shù)的確定

同樣，根據(jù)錨桿參數(shù)的確定原理，最終確定錨桿的直徑為20 mm，錨桿錨固長度為500 mm，錨桿長度為2 500 mm。

3.3 金屬網(wǎng)參數(shù)的確定

金屬網(wǎng)采用網(wǎng)格為100 mm×100 mm，金屬網(wǎng)所鋪設(shè)的長度為4 800 mm。與金屬網(wǎng)相匹配鋼托的材質(zhì)為Q235鋼，鋼托的規(guī)格尺寸為150 mm×150 mm×10 mm。

3.4 錨梁型號的選型

錨梁即為錨索的托梁，根據(jù)錨索所承受的最大承載力，本方案選擇制造錨梁的原材料為16號槽鋼[3]。

4 錨桿錨索聯(lián)合支護的數(shù)值模擬分析

為驗證錨桿錨索聯(lián)合支護對107工作面巷道圍巖的控制效果和支護質(zhì)量，本文基于FLAC3D軟件建立巷道模型，并對支護后巷道及錨桿、錨索的狀態(tài)進行數(shù)值模擬分析[4]。

首先，根據(jù)107工作面巷道的形狀建立數(shù)值模擬模型，并保證模型的高度和寬度與實際參數(shù)相符。107工作面基于FLAC3D的數(shù)值模擬模型見圖2。

圖2 107工作面數(shù)值模擬模型

根據(jù)107工作面的圍巖力學參數(shù)和所采用支護方案中錨桿、錨索以及金屬網(wǎng)、錨梁的力學和幾何參數(shù)，對如圖2所示的模型進行設(shè)置。模型設(shè)置完畢后，分別對無支護和支護狀態(tài)下頂板的下沉量和最大主應(yīng)力進行對比，對比仿真結(jié)果如表2所示。

表2 仿真結(jié)果對比

如表2所示，對107工作面巷道采用錨桿錨索聯(lián)合支護后，工作面頂板的下沉量明顯減小，即經(jīng)支護后工作面巷道圍巖得到有效控制[5]。

此外，經(jīng)數(shù)值模擬分析可得：在對107工作面巷道采用錨桿錨索聯(lián)合支護后，對左斷面進行開采時，錨索所承受的最大拉力為222 kN，錨桿所承受的最大拉力為99 kN；在對右斷面開采時，錨索所承受的最大拉力為296 kN，錨桿所承受的最大拉力為125 kN，均小于對應(yīng)錨索額定破斷力500 kN，對應(yīng)錨桿額定破斷力140 kN。即驗證了所設(shè)計錨桿錨索聯(lián)合支護的可靠性，在實際生產(chǎn)中不會被拉斷。

,5結(jié)論

1）所采用錨桿的直徑為20 mm，錨桿長度為2 500mm；錨索直徑為21.8mm，錨索長度為12300mm.。

2）經(jīng)數(shù)值模擬分析可知：107工作面巷道采用錨桿錨索聯(lián)合支護后，工作面頂板的下沉量得到有效控制，對應(yīng)支護設(shè)計中錨桿和錨索的最大拉力均小于其破斷力，滿足實際生產(chǎn)的需求。