李利東，袁 遠(yuǎn)，王 凱

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 木瓜煤礦，山西 呂梁 033000)

隨著煤礦開(kāi)采工藝的發(fā)展以及對(duì)煤炭資源需求的增加，工作面切眼斷面尺寸也不斷增大，支護(hù)設(shè)計(jì)與施工方案的合理性是大斷面切巷施工的重要因素，也是保障安全生產(chǎn)的基本條件[1-2].木瓜煤礦10-201工作面地層變化復(fù)雜、直接頂圍巖強(qiáng)度低、錨桿錨固力不足、切巷跨度大。為此，利用數(shù)值模擬軟件確定切巷斷面開(kāi)挖最佳方案，模擬此方案支護(hù)設(shè)計(jì)的有效性，為確保大跨度斷面圍巖穩(wěn)定性提供技術(shù)支撐。

1 概 況

木瓜礦10-201工作面所開(kāi)采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組的9#+10#煤(合并層)，根據(jù)周邊南5、擴(kuò)2、擴(kuò)3、擴(kuò)6鉆孔綜合分析，預(yù)計(jì)9#、10#煤層間距0.5～1.0 m，預(yù)計(jì)10-2012巷掘進(jìn)至870～1 169 m處為9#+10#煤層合并層分界線，宏觀煤巖類(lèi)型為半亮型，玻璃光澤，階梯狀斷口，中厚層狀。9#煤層厚度為3.85～4.15 m，10#煤層厚度為1.4～1.52 m，傾角2°～6°，平均4°，煤巖層賦存較穩(wěn)定。煤層頂、底板巖層特征見(jiàn)表1.10-201工作面切巷設(shè)計(jì)高度為4.4 m，寬度為8.5 m，巷道斷面大，中部張拉應(yīng)力大、頂角剪應(yīng)力較大。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征表

2 切巷開(kāi)挖斷面優(yōu)選方案

針對(duì)10-201工作面切巷斷面跨度大的難題，采用巖土工程領(lǐng)域常用的FLAC3D軟件對(duì)斷面開(kāi)挖方案進(jìn)行優(yōu)化[3-4].

2.1 開(kāi)挖方案對(duì)比

根據(jù)工程實(shí)際開(kāi)采范圍，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行賦值[5].在計(jì)算中，各巖層均采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[6].提出“一次性開(kāi)挖大斷面”和“分段開(kāi)挖小斷面成巷”兩種方案，進(jìn)行切巷的優(yōu)化施工。

使用FLAC3D軟件模擬可得無(wú)支護(hù)全斷面、無(wú)支護(hù)小斷面、注漿支護(hù)小斷面變形圖,分別見(jiàn)圖1，2，3.通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，圖1圍巖變形區(qū)無(wú)支護(hù)全斷面開(kāi)挖時(shí)變化區(qū)域較多，代表圍巖變形量較大。對(duì)比圖2可知，無(wú)支護(hù)小斷面開(kāi)挖時(shí)變化區(qū)域大大減少。對(duì)比兩者塑形區(qū)，最外層代表無(wú)塑形區(qū)，中間深色區(qū)域代表重度塑形區(qū)，對(duì)比可知，小斷面開(kāi)挖相較于全斷面開(kāi)挖塑形區(qū)大大減少。因此，選用分段開(kāi)挖小斷面成巷的方法能夠優(yōu)化施工，減少安全隱患，取得更好的開(kāi)挖效果。

圖1 無(wú)支護(hù)全斷面開(kāi)挖變形圖

圖2 無(wú)支護(hù)小斷面開(kāi)挖變形圖

2.2 支護(hù)方案對(duì)比

在分段開(kāi)挖小斷面成巷施工技術(shù)上分別模擬了兩種技術(shù)方案：切巷無(wú)支護(hù)和頂板注漿+錨索支護(hù)。注漿+錨索支護(hù)下小斷面開(kāi)挖變形圖見(jiàn)圖3，在經(jīng)過(guò)施加注漿與支護(hù)條件下，頂板變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無(wú)支護(hù)狀態(tài)，同時(shí)塑性區(qū)相較于未支護(hù)區(qū)也大大減小，幾乎未出現(xiàn)變形區(qū)域，支護(hù)方案效果極佳。

圖3 注漿和支護(hù)條件下小斷面開(kāi)挖變形圖

3 切巷支護(hù)設(shè)計(jì)

切巷支護(hù)設(shè)計(jì)首先擬定在10-2011、10-2012兩條順槽巷道掘進(jìn)過(guò)程中每隔30～50 m在頂板進(jìn)行鉆孔窺視，掌握頂板巖層變化規(guī)律并預(yù)估切巷頂板巖層[7].再對(duì)切眼掘進(jìn)斷面進(jìn)行優(yōu)化，先進(jìn)行導(dǎo)洞施工，支護(hù)方式采用預(yù)注漿+長(zhǎng)短錨索+槽鋼和鋼帶，先導(dǎo)洞后擴(kuò)刷，邊擴(kuò)刷邊安裝工藝流程。工作面示意圖見(jiàn)圖4.

圖4 工作面示意圖

3.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

1)幫錨桿長(zhǎng)度確定。

幫錨桿支護(hù)參數(shù)根據(jù)圍巖松動(dòng)圈分類(lèi)法進(jìn)行計(jì)算[8]，巷道兩幫潛在松塌區(qū)寬度L1:

L1=h×tan(45-β/2)=4.1×tan(45-74.48/2)

≈0.57 m

式中：

h—巷道掘進(jìn)高度，m，取毛高4.1；

β—煤層內(nèi)摩擦角，(°)，β=arctanf=74.48.

錨桿長(zhǎng)度：

L=L1+L2+L3=0.6+0.8+0.1=1.5 m

式中：

L2—幫錨桿伸出潛在松塌區(qū)的額定錨固長(zhǎng)度，m，取0.8；

L3—幫錨桿外露長(zhǎng)度，m，取0.1.

根據(jù)理論分析結(jié)合同類(lèi)型工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，幫錨桿長(zhǎng)度均取2 000 mm能夠滿(mǎn)足要求。

2)錨桿錨固力及間排距驗(yàn)算。

錨桿的錨固力根據(jù)與錨桿屈服載荷相匹配的原則進(jìn)行確定，結(jié)合錨桿錨固力不應(yīng)小于被懸吊不穩(wěn)定巖層的重量對(duì)間排距進(jìn)行驗(yàn)算[9].

Q桿=K1L桿2a桿1a桿2γ

式中：

Q桿—錨桿錨固力，kN；

K1—安全系數(shù)，一般取2～5，考慮頂板傾角影響取4；

L桿2—錨桿的有效長(zhǎng)度，m，取1.0；

a桿1—錨桿間距，將結(jié)合錨桿實(shí)際布置方式，m，取0.92；

a桿2—錨桿排距，結(jié)合同類(lèi)型工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，m，取0.9；

γ—易冒落巖石平均重力密度，kN/m3，取25.

代入?yún)?shù)，得Q桿=82.8 kN

結(jié)合同類(lèi)型工作面支護(hù)參數(shù)選擇經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)礦壓資料及支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，確定10-201切巷左幫幫錨桿間排距1 400 mm×900 mm，右?guī)蛶湾^桿間排距1 400 mm×900 mm，錨固力均為105 kN，能滿(mǎn)足支護(hù)強(qiáng)度要求。

3)錨桿的直徑。

根據(jù)錨桿桿體承載力與錨固力等強(qiáng)的原則，按下式計(jì)算：

式中：

d桿—錨桿直徑，m；

σs—錨桿桿體的屈服強(qiáng)度，根據(jù)同類(lèi)型南區(qū)左翼下組煤大巷礦壓監(jiān)測(cè)情況，頂、幫錨桿均選用HBR335螺紋鋼錨桿(1 MPa=1 000 kN/m2).

經(jīng)以上公式計(jì)算：

經(jīng)以上計(jì)算結(jié)合錨桿規(guī)格選型，S10-201切巷頂、幫錨桿將選d22 mm的螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，均可滿(mǎn)足支護(hù)強(qiáng)度要求。

4)錨索長(zhǎng)度[10-11].

L索=L索1+L索2+L索3

式中：

L索—錨索長(zhǎng)度，m；

L索1—錨索外露頂板長(zhǎng)度，m，鋼板厚度0.05 m+鎖具厚度0.05 m+最大允許外露長(zhǎng)度0.25 m，取0.35 m；

L索2—錨索的有效長(zhǎng)度，m,不小于錨桿錨固巖層的厚度，按最嚴(yán)重冒落高度大于錨桿長(zhǎng)度的整體冒落考慮，取2.5；

L索3—錨索的錨固長(zhǎng)度，根據(jù)錨固力試驗(yàn)得出錨固劑所需錨固長(zhǎng)度(CKb2340及 Z2360各兩條)，m,結(jié)合理論計(jì)算，取最大值2.5.

式中：

σt—錨索抗拉強(qiáng)度，MPa，根據(jù)錨索檢驗(yàn)報(bào)告可得1 820；

d—錨索直徑，mm，取18.9；

τc—樹(shù)脂錨固劑與錨索黏強(qiáng)度，MPa，取10.

把數(shù)據(jù)帶入公式可求得：L索=5.35 m

根據(jù)以上公式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，考慮一定安全系數(shù)，將錨索長(zhǎng)度確定為5.3 m、15.3 m，同時(shí)根據(jù)地質(zhì)資料分析，頂板受地質(zhì)條件影響，將采用長(zhǎng)短錨索間隔布置，以滿(mǎn)足頂板支護(hù)要求。

5)錨索間排距計(jì)算依據(jù)。

錨索的排距按下式計(jì)算：

式中：

a索1、a索2—錨索間距、排距，m，考慮傾角影響間距取1.4；

N索—錨索承載力，kN，選用d18.9 mm的鋼絞線，查材料強(qiáng)度檢驗(yàn)報(bào)告，取400；

K2—安全系數(shù)，一般取1～3，根據(jù)地質(zhì)條件等情況，取3；

h—錨桿錨固巖層的厚度，m，取最大錨固層厚度1.0；

γ—錨桿錨固巖層平均重力密度，kN/m3，取25.

6)錨固長(zhǎng)度驗(yàn)算。

按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

L—樹(shù)脂藥卷的總長(zhǎng)度，mm,錨索充填CKb2340及 Z2360各兩條，頂錨桿充填CKb2340及 Z2360各一條，幫錨桿充填Z2360一條，頂錨索取2 000，頂錨桿取1 000，幫錨桿取600；

L0—錨桿的錨固長(zhǎng)度，mm；

Φ0—樹(shù)脂藥卷直徑，mm，取23；

Φ1—鉆孔直徑，mm，取28；

Φ2—錨桿(索)直徑，mm，頂、幫錨桿均取20，錨索均取18.9.

頂錨索錨固長(zhǎng)度：

L0=2 000×232/(282-18.92)=2 479 mm

幫錨桿錨固長(zhǎng)度：

L0=600×232/(282-202)=827 mm

根據(jù)以上計(jì)算得出，頂錨索錨固長(zhǎng)度2 478.9 mm，d20 mm的幫錨桿錨固長(zhǎng)度827 mm.

7)錨桿(索)扭力矩推算。

根據(jù)《煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)》要求，一般選擇錨桿預(yù)緊力取其屈服載荷的30%～50%，錨索預(yù)緊力取其40%～70%，并根據(jù)《煤礦支護(hù)手冊(cè)》中錨桿預(yù)緊力公式反算得出錨桿扭力矩，計(jì)算公式如下：

d20 mm左旋螺紋鋼錨桿屈服載荷為105 kN，其預(yù)緊力對(duì)應(yīng)在31.5～52.5 kN，經(jīng)反算得出扭力矩為280 N·m時(shí)其預(yù)緊力為73.5 kN，滿(mǎn)足預(yù)緊力要求。

d18.9 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線破斷載荷為400 kN，其預(yù)緊力對(duì)應(yīng)在160～280 kN，將錨索預(yù)緊力確定為180 kN，可滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

3.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

3.2.1導(dǎo)洞超前預(yù)注漿

根據(jù)斷面優(yōu)化可知,導(dǎo)洞斷面為4 000 mm×4 400 mm，注漿材料初步設(shè)計(jì)采用水灰比為1.2∶1～1.5∶1的水泥漿，注漿孔徑42 mm，注漿鉆孔深度為15 m，超前注漿鉆孔沿切巷走向方向，與頂板呈45°角斜向向頂板注漿，注漿孔間距為1 000 mm，兩幫頂角鉆孔向外傾斜5°，鉆孔排距為1 500 mm，初步設(shè)計(jì)注漿壓力2.0～3.0 MPa，注漿孔布置設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5.

圖5 導(dǎo)洞注漿鉆孔布置圖

3.2.2導(dǎo)洞支護(hù)方案

在注漿基礎(chǔ)上，導(dǎo)洞頂板支護(hù)采用長(zhǎng)短組合錨索梁支護(hù)，工作面后方幫部支護(hù)采用螺紋鋼錨桿，工作面推進(jìn)方向采用玻璃鋼錨桿，見(jiàn)圖6.

其中，頂板支護(hù)布置圖見(jiàn)圖6a)，首先在1-1剖面布置長(zhǎng)錨索(d18.9 mm×15 300 mm)3根，中心一根，兩邊距離邊角500 m各一根，3根長(zhǎng)錨索端部安裝14#槽鋼整體形成錨索梁，間距1 000 mm；在2-2剖面布置4根短錨索，間距1 000 mm，巷道切向采用M鋼帶；幫部采用d22 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm，切向增加M鋼帶，配合150 mm×150 mm×8 mm高強(qiáng)度方形帶拱托盤(pán)使用。除了槽鋼和鋼帶外，頂、幫網(wǎng)均采用1 100 mm×1 500 mm的鋼筋片網(wǎng)(長(zhǎng)×寬)，網(wǎng)孔規(guī)格為80 mm×80 mm，頂網(wǎng)豎鋪，幫網(wǎng)橫鋪。

圖6 導(dǎo)洞支護(hù)設(shè)計(jì)圖

3.2.3刷擴(kuò)區(qū)支護(hù)方案

擴(kuò)刷區(qū)支護(hù)方式與導(dǎo)洞基本一致，由于擴(kuò)刷區(qū)暴露時(shí)間短，撤去錨索梁，全部采用鋼帶，支護(hù)布置設(shè)計(jì)見(jiàn)圖7.

圖7 切巷支護(hù)設(shè)計(jì)圖

4 支護(hù)應(yīng)用效果

項(xiàng)目施工完成后，為驗(yàn)證支護(hù)方案的有效性，通過(guò)兩個(gè)月的監(jiān)測(cè)，頂板下沉量和兩幫位移量除在施工前期出現(xiàn)波動(dòng)外均處于穩(wěn)定狀態(tài)，頂板下沉量最大值為100 mm，兩幫位移量最大值為50 mm，均在受力可控范圍內(nèi)，符合工程應(yīng)用要求。

5 結(jié) 論

針對(duì)10-201工作面切巷斷面跨度大的難題，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件確定了“分段開(kāi)挖小斷面”的斷面開(kāi)挖方案，確定了“預(yù)注漿+長(zhǎng)短錨索+槽鋼和鋼帶”的支護(hù)方案，先導(dǎo)洞后擴(kuò)刷，邊擴(kuò)刷邊安裝工藝流程。經(jīng)計(jì)算，幫錨桿長(zhǎng)度、錨桿錨固力及間排距、錨桿直徑等參數(shù)均能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。該方案經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，能夠提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，減小變形量，滿(mǎn)足工程技術(shù)要求，為類(lèi)似條件下切眼支護(hù)技術(shù)提供了參考依據(jù)。