栗平生

（晉能集團晉中有限公司， 山西 晉中 030600）

引言

煤炭作為國民經(jīng)濟發(fā)展中最重要的保障性能源資源，隨著全球?qū)γ禾抠Y源需求量的不斷增加，各煤炭生產(chǎn)企業(yè)不斷采用先進的作業(yè)手段提升煤礦井下的綜采作業(yè)效率。目前，煤炭綜采過程中的機械化程度已經(jīng)達到了30%以上，限制井下綜采效率進一步提升的瓶頸已經(jīng)轉(zhuǎn)化為巷道的掘進效率無法滿足綜采作業(yè)速度的需求，因此如何提升煤礦井下巷道掘進效率便成了目前煤炭生產(chǎn)企業(yè)最關(guān)注的問題。根據(jù)統(tǒng)計煤礦井下巷道圍巖穩(wěn)定性差、支護方式和支護穩(wěn)定性需反復(fù)調(diào)整是影響巷道掘進的關(guān)鍵，因此，通過利用FLAC 三維數(shù)組建模軟件對井下巷道支護過程中的錨桿間距、應(yīng)力分布區(qū)間等進行了仿真分析。

1 巷道支護參數(shù)的確定

傳統(tǒng)的巷道支護作業(yè)主要是依據(jù)作業(yè)人員的經(jīng)驗對支護錨桿的長度和支護密度進行確定，煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，因此在實際支護過程中需要反復(fù)對井下頂板錨桿和幫錨桿的支護長度、支護密度等進行調(diào)整，以滿足安全支護的作業(yè)需求，不僅支護效率低、人員勞動量大而且支護穩(wěn)定性差，限制了巷道掘進速度的提升。

FLAC 數(shù)值模擬分析[1]是一種新興的模擬分析控制方案，其通過構(gòu)建支護結(jié)構(gòu)和圍巖的受力方程來對不同支護參數(shù)情況下巷道頂板的變形情況進行分析，進而確定最佳的支護參數(shù)，通過該方案能夠提前對井下的支護方案進行分析優(yōu)化，能夠顯著降低在支護作業(yè)過程中的準備時間，提升井下巷道支護的可靠性。

以某礦井下實際情況為研究對象，其煤層平均厚度6.3 m，煤層的平均傾角為7.2°，巷道頂板主要是以泥巖為主，巷道底板主要由細沙巖構(gòu)成，整體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，選擇以摩爾—庫倫屈服原則[2]作為判斷巖體是否破壞的依據(jù)，利用FLAC 數(shù)值模擬軟件對不同頂板錨桿長度和幫錨桿長度情況下的巷道變形量進行分析，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同錨桿長度對巷道變形量的影響

由圖1 可知，隨著頂板錨桿長度的增加煤礦井下巷道的變形量逐漸降低，特別是從2.0～2.4 m 之間，巷道的變形量變化顯著，當頂板錨桿長度從2.4 m增加到2.6 m 的時候巷道的變形量基本沒有變化，但由于錨桿長度增加，其成本和員工的操作難度均會顯著提升，反而會影響之后作業(yè)的經(jīng)濟性和效率，因此經(jīng)過綜合評估，在煤礦井下支護作業(yè)的過程中頂板錨桿的長度設(shè)置為2.4 m。

巷道變形量同樣會隨著幫錨桿長度的增加而逐漸降低，而且?guī)湾^桿長度為2.0 m 和2.2 m 時巷道變形量基本一致，同樣從支護成本和支護效率方面考慮，最終確定幫錨桿的長度為2.0 m。

2 井下支護施工工藝優(yōu)化

在煤礦井下巷道掘進作業(yè)中，能否進行各工序的平行作業(yè)，直接影響到巷道掘進效率，傳統(tǒng)煤礦井下作業(yè)均采用戴帽點柱臨時支護，對作業(yè)時間要求較為嚴格，需要在出現(xiàn)迎頭空頂后1 h 內(nèi)將戴帽點柱設(shè)置完成，而且還要求該點柱必須設(shè)置在硬底基座上，該工序操作繁瑣且難度極大，通常需要多次嘗試才能完成設(shè)置，極大地影響了巷道掘進作業(yè)的速度。因此，為了適應(yīng)巷道快速掘進的要求，推薦采用錨桿支護方案，在巷道頂板穩(wěn)定性差、易發(fā)生碎裂的位置，應(yīng)注意降低懸空頂?shù)拿娣e，在支護作業(yè)時盡量縮短單次循環(huán)的進度尺寸，同時在頂板位置采用雙層金屬護網(wǎng)防護，避免碎石飛落，所選擇的網(wǎng)孔尺寸不宜超過100 mm，同時采用鋼筋梯子梁組合錨索補強支護，頂板錨桿之間的排距最大不超過1 000 mm，該井下新型的錨桿支護結(jié)構(gòu)如圖2 所示[2]，該錨索支護方案采用了快速安裝螺帽結(jié)構(gòu)，能夠進行快速的拆裝和組合，對比舊的支護方案，能夠縮短50%的支護作業(yè)時間，極大提升了井下支護作業(yè)的速度，提升巷道掘進效率[3]。

3 前探梁臨時支護

圖2 井下巷道錨桿支護結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

采用井下巷道錨桿支護結(jié)構(gòu)，雖然能夠提升巷道支架效率，但在遇到較大的來壓沖擊時依舊存在一定的安全隱患，所以在掘進機每前進一定的距離就需要進行一次頂板的臨時支護，滿足綜采作業(yè)安全性的需求，但頻繁的停機會影響巷道的掘進效率，因此為了提升掘進機的綜采作業(yè)連續(xù)性，本文提出了采用前探梁臨時支護方案，該方案的支護結(jié)構(gòu)如圖3 所示[4]。

圖3 前探梁臨時支護結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

該支護方式具有支護作業(yè)簡單、穩(wěn)定性好、強度高的特點，能夠和掘進機的掘進作業(yè)平行推進，相比傳統(tǒng)的停機作業(yè)方案能夠?qū)⑾锏赖木蜻M效率提升16%，提升了巷道掘進的安全性和快速性。

4 結(jié)論

1）FLAC 數(shù)值模擬分析能夠提前對井下的支護方案進行分析優(yōu)化，顯著降低在支護作業(yè)過程中的準備時間，提升了井下巷道支護的可靠性；

2）在煤礦井下支護作業(yè)的過程中頂板錨桿的長度設(shè)置為2.4 m，幫錨桿的長度設(shè)置為2.0 m，能夠有效提升煤礦井下支護的經(jīng)濟和效率；

3）采用錨桿支護方案，能夠縮短50%的支護作業(yè)時間，極大提升了井下支護作業(yè)的速度，采用前探梁臨時支護結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的停機作業(yè)方案能夠?qū)⑾锏赖木蜻M效率提升16%以上。