許 謙，韓 超，閆 軍

(潞安化工集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

巷道支護(hù)是伴隨煤礦生產(chǎn)的永恒課題。在巖體工程中，巷道圍巖不僅是應(yīng)力作用主體，還將成為應(yīng)力承載主體，并且與巷道支護(hù)構(gòu)成了一個有機整體并共同承載。然而，為了在采掘活動影響下，保證巷道的安全穩(wěn)定，巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度不是越大越好，而是應(yīng)當(dāng)具備一定的柔性空間，允許巷道圍巖在應(yīng)力作用下發(fā)生一定量的變形，以便部分支承壓力通過圍巖變形向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，從而減輕支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的荷載[1]。

在綜放開采活動影響下，對61B3工作面運輸巷道的頂板巖層結(jié)構(gòu)、巷道表面位移和深部位移進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖能夠保持良好的穩(wěn)定性，能夠滿足正常生產(chǎn)所需要的條件，但巷道支護(hù)強度有些過剩。故在保證巷道穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，開展了綜放回采巷道互補協(xié)同支護(hù)理論及技術(shù)研究，合理優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，適當(dāng)增大間排距以減少支護(hù)費用和勞動量。

1 工程概況

61B3工作面位于王莊煤礦61采區(qū)，工作面標(biāo)高616～675 m，地面標(biāo)高935～937 m，工作面切眼長166 m，走向長度運巷632.0 m、風(fēng)巷631.5 m。煤層總厚度6.41 m，容重為1.35 t/m3，按回收率93%計算，工作面工業(yè)儲量為455 759 t，可采儲量455 759 t。61B3工作面運巷采用全錨網(wǎng)支護(hù)方式，支護(hù)規(guī)格為5.0 m×3.5 m巷矩形支護(hù)，錨桿間排距900 mm×900 mm，巷道頂板和兩幫均采用樹脂藥卷加長錨固高強度螺紋鋼錨桿設(shè)計，鋪金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁。

在正?；夭善陂g，在61B3工作面運巷布置了9個測站觀測巷道表面位移，5個測站觀測深基點位移(深基點巷道位移監(jiān)測采用中國礦業(yè)大學(xué)自行設(shè)計的四基點數(shù)顯深基點位移計)，對工作面運巷頂板及兩幫進(jìn)行深部位移、表面位移進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如下：

1) 工作面運輸巷道頂板觀測周期內(nèi)各測站總位移量最大為52 mm，各測站位移量在前期比較穩(wěn)定，隨著工作面推進(jìn)，位移量增加緩慢，最終值均比較小，現(xiàn)有支護(hù)效果良好。

2) 工作面運輸巷道煤柱幫在觀測周期內(nèi)各測站總的位移量最大為32 mm；各測站位移量在前期比較穩(wěn)定，后期增加量小，隨著工作面推進(jìn)，位移量增加緩慢，最終值均很小，幫錨桿支護(hù)效果良好。

實測數(shù)據(jù)表明，工作面回采對61B3工作面運輸巷道的影響較小，巷道的頂?shù)装遄冃瘟?、兩幫變形量較小，其中頂?shù)装鍘缀醪粫l(fā)生明顯的變形破壞，巷道能夠保持良好的穩(wěn)定性，但根據(jù)王莊煤礦已有支護(hù)強度標(biāo)準(zhǔn)和相似工作面巷道支護(hù)條件進(jìn)行判斷，61B3工作面可能支護(hù)強度富裕。

2 錨桿-錨索聯(lián)支護(hù)作用的互補原理

錨索與單體錨桿的作用是一樣的，既有加固圍巖的作用，也有懸吊下部松動圍巖的作用。兩者的區(qū)別是錨索可以錨固在圍巖深部的穩(wěn)定巖層中，而錨桿因其長度較短，在圍巖條件較差的情況下，特別是在破碎圍巖條件下，錨桿不能錨固在穩(wěn)定的巖層中，此時錨桿的懸吊作用很小，主要靠其加固作用和錨桿群的成拱作用控制圍巖變形，提高圍巖的承載能力。

巷道圍巖-支護(hù)相互作用原理見圖1。圖中曲線ABED為錨巖支護(hù)體的特性曲線，曲線4為錨索的特性曲線，曲線ABCD為錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)特性曲線。由曲線ABCD可知，在巷道支護(hù)過程中，錨桿和錨索各自發(fā)揮了自身的優(yōu)勢，在巷道開挖支護(hù)初期，以錨桿的柔性支護(hù)為主，后期以錨索的懸吊作用為主，兩者不是同時加強支護(hù)，而是相互取長補短，從而大大改善了錨桿支護(hù)的整體支護(hù)性能，達(dá)到控制圍巖大變形的目的。所以，將此支護(hù)作用原理稱之為錨桿-錨索支護(hù)作用的互補原理。在錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)的實際工程中，錨桿與錨索支護(hù)作用的互補性能否實現(xiàn)取決于采用的支護(hù)方法和支護(hù)設(shè)計的合理性。聯(lián)合支護(hù)要求將錨固體與錨索的力學(xué)特性進(jìn)行有機結(jié)合，而不是錨桿和錨索支護(hù)參數(shù)分別獨立設(shè)計。由于采用不同的錨桿支護(hù)形式，錨固體的承載特性有較大差異，同樣，采用不同的錨索支護(hù)方式對圍巖的適應(yīng)性也不同。因此，在支護(hù)設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)巷道圍巖條件，采用合理的錨桿支護(hù)形式和參數(shù)，選擇與之匹配的錨索支護(hù)方法，這是錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)的關(guān)鍵[2]。

圖1 圍巖-支護(hù)相互作用原理

3 優(yōu)化后的支護(hù)方案設(shè)計

FLAC3D是一種用于模擬各種固體模型力學(xué)特性及變形特征的三維數(shù)值模擬軟件，不同于其他的數(shù)值模擬程序采用的隱式計算方法，F(xiàn)LAC3D是采用三維顯式有限差分法進(jìn)行分析的，它可以較好地模擬地質(zhì)材料達(dá)到屈服極限或強度極限后產(chǎn)生的塑性流動或破壞。本文基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件，結(jié)合61B3工作面運輸巷道的實際支護(hù)情況，對巷道支護(hù)進(jìn)行合理優(yōu)化，并對優(yōu)化后的巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。

巷道支護(hù)具體優(yōu)化如下：①煤柱寬度20 m，支護(hù)方式為頂板每排布置5根D22 mm的高強度螺紋鋼錨桿，每根錨桿長2 400 mm，間排距為1 000mm×1 000 mm，頂角錨桿向兩幫傾斜15°打設(shè)，距幫500 mm；②錨索加強支護(hù)為每隔3.0 m布置2根D17.8 mm的預(yù)應(yīng)力錨索，錨索間距為3 000 mm，錨索孔深度為7.0 m，錨索長度為7.3 m；③兩幫各打設(shè)3根錨桿D22 mm的高強度螺紋鋼錨桿，每根錨桿長2 000 mm，間排距為1 100 mm×1 000 mm，幫角錨桿向頂板傾斜15°打設(shè)，距頂600 mm。

受采動影響，巷道圍巖發(fā)生的變形量模擬結(jié)果如下：

1) 巷道的頂板最大下沉量為258 mm，最大底鼓量為50 mm，最大頂?shù)装逡平繛?08 mm；

2) 巷道煤壁幫側(cè)最大應(yīng)力為13.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.92，距離巷道煤壁幫1～3 m的范圍；

3) 巷道煤柱幫側(cè)最大應(yīng)力為13.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.92，距離巷道煤柱幫1.5～2 m的范圍；

4) 巷道煤壁幫產(chǎn)生塑性破壞的范圍較大，最大值為2.3 m，其中頂板有部分地方受到拉伸破壞，不過范圍較小，底板及煤柱幫的破壞范圍增加幅度雖然較大，但是破壞情況并不嚴(yán)重，巷道圍巖穩(wěn)定性較好。

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

基于錨桿與錨索的互補協(xié)同作用機理研究，對61B3工作面運輸巷道支護(hù)設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化。在61B3工作面運輸巷道開展優(yōu)化支護(hù)方案的現(xiàn)場工業(yè)性試驗，共完成試驗巷道約160 m，見圖2。試驗巷道采用錨桿與錨索協(xié)同支護(hù)，根據(jù)錨桿與錨索的互補協(xié)同作用機理，將錨桿的間排距由原方案的900 mm×900 mm增大至1 000 mm×1 000 mm，每個支護(hù)斷面的錨桿數(shù)量由原方案的14根降為11根，大大減少了錨桿、錨索、樹脂藥卷、托盤等材料的消耗。

圖2 61B3工作面運巷試驗段(m)

現(xiàn)場觀測結(jié)果表明，新方案的巷道頂板下沉量和底鼓量雖均有增加，見表1，但巷道頂?shù)装逡平亢退苄云茐姆秶]有超出錨桿的錨固強度可控范圍，回采期間錨桿未出現(xiàn)斷裂，巷道斷面仍能夠滿足通風(fēng)需求，不影響運輸設(shè)備正常通過。結(jié)果表明，錨桿與錨索的互補協(xié)同支護(hù)能夠較好地改善61B3工作面綜放回采巷道支護(hù)現(xiàn)狀。

表1 回采時巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變量

4 結(jié) 語

1) 對王莊煤礦61B3工作面運巷的支護(hù)方式進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，可以看出巷道目前采用的支護(hù)方式支護(hù)效果較好，巷道能夠保持很好的穩(wěn)定性，完全滿足正常生產(chǎn)所需要的條件，但巷道存在支護(hù)強度過剩情況，故在保證巷道穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)對支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，確定出更經(jīng)濟合理的支護(hù)方案。

2) 現(xiàn)場工業(yè)性試驗表明，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，仍可使61B3工作面運輸巷道保持較好的穩(wěn)定性，滿足通風(fēng)需求，不影響運輸設(shè)備正常通過。以工作面回采巷道總長約1 263.5 m(風(fēng)巷631.5 m、運巷632 m)，若全部實施優(yōu)化方案后則可節(jié)省支護(hù)費用約54.5萬元。