邵國(guó)飛

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041204）

1 概況

豹子溝煤業(yè)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.9 Mt/a，主采10+11煤層，煤層平均厚度4.2 m。頂板以致密的泥巖、粉砂巖、石灰?guī)r為主，抗壓強(qiáng)度平均57.2 MPa，底板為性脆的泥巖、砂巖，抗壓強(qiáng)度平均29.3 MPa?；夭上锏谰孛簩拥装宀贾茫瑢偃合锏?，巷道斷面為矩形，掘進(jìn)寬度5.2 m，高為3.2 m。該礦為低瓦斯礦井，正常涌水量為28.3 m3/h，采煤工藝為綜采放頂煤。原回采巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)噴，局部巷道變形嚴(yán)重。

2 圍巖巷道支護(hù)參數(shù)的數(shù)值模擬分析

建立FLAC3D模型模擬井下開(kāi)挖后圍巖位移及應(yīng)力變化特征[1-2]，模型尺寸50 m×50 m×50 m，采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，研究不同支護(hù)參數(shù)條件下圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，為支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2.1 錨桿預(yù)應(yīng)力模擬分析

錨桿預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)體系中最重要的參數(shù)之一[3-4]。過(guò)低的預(yù)應(yīng)力，錨桿產(chǎn)生的附加應(yīng)力值明顯減小，壓應(yīng)力區(qū)范圍縮小，甚至導(dǎo)致有效壓應(yīng)力區(qū)孤立，不能形成整體；反之，較高的預(yù)應(yīng)力形成較大的壓應(yīng)力區(qū)范圍，且形成整體的可能性大大提高，可充分發(fā)揮錨桿主動(dòng)支護(hù)作用。在圖1中兩種預(yù)應(yīng)力的數(shù)值模擬結(jié)果中可以看出，錨桿預(yù)應(yīng)力80 kN與預(yù)應(yīng)力20 kN相比，前者產(chǎn)生的附加應(yīng)力值明顯大于后者，進(jìn)而形成的壓應(yīng)力區(qū)范圍也明顯大于后者，故提高錨桿預(yù)應(yīng)力可改善錨桿有效支護(hù)范圍。合理錨桿預(yù)應(yīng)力應(yīng)達(dá)到桿體屈服強(qiáng)度的30%～50%，對(duì)錨桿結(jié)構(gòu)、錨桿加工工藝及相配合的托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件也有很高的要求。

圖1 不同錨桿預(yù)應(yīng)力形成的附加應(yīng)力場(chǎng)分布

2.2 錨桿長(zhǎng)度模擬分析

不同的錨桿長(zhǎng)度會(huì)影響錨桿所產(chǎn)生的有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍，錨桿長(zhǎng)度越長(zhǎng)，有效壓應(yīng)力區(qū)范圍和厚度越大，反之，有效壓應(yīng)力區(qū)范圍減小。分別模擬錨桿長(zhǎng)度為1.6 m、2.0 m、2.4 m和2.6 m時(shí)圍巖應(yīng)力分布情況，如圖2。可知在預(yù)應(yīng)力一定的條件下，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，錨桿所產(chǎn)生的有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍有所增加，有利于圍巖的穩(wěn)定性。另外錨桿長(zhǎng)度增加，可提高錨桿的預(yù)應(yīng)力，可提高錨桿的主動(dòng)支護(hù)作用。錨桿長(zhǎng)度越長(zhǎng)費(fèi)用越高，故應(yīng)合理取舍。

圖2 不同錨桿長(zhǎng)度應(yīng)力分布圖

2.3 錨索加固模擬分析

錨索做為錨桿支護(hù)最為常用的配合支護(hù)方式，其主要作用是將錨桿支護(hù)形成的有效壓應(yīng)力區(qū)次生承載結(jié)構(gòu)通過(guò)錨索與深部圍巖相連為整體，聯(lián)動(dòng)了深部圍巖的承載能力，提高了錨桿錨固區(qū)域的整體穩(wěn)定性[5]。另外錨索施加的預(yù)緊力同樣產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)，與錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)相互作用，構(gòu)成骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加圍巖抵御風(fēng)險(xiǎn)的可能。圖3為錨索支護(hù)、錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)應(yīng)力分布圖，從圖中可知，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)形成的有效壓應(yīng)力區(qū)效果明顯，有利于圍巖結(jié)構(gòu)整體性。

圖3 錨索、錨桿錨索預(yù)應(yīng)力形成的附加應(yīng)力場(chǎng)分布

3 回采巷道支護(hù)優(yōu)化

從數(shù)值模擬結(jié)果可知，錨桿預(yù)緊力為80 kN時(shí)，錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)范圍明顯大于20 kN形成的范圍；錨桿長(zhǎng)度為2400 mm時(shí)，圍巖的有效壓應(yīng)力區(qū)足夠大，滿(mǎn)足要求；錨索和錨桿聯(lián)合支護(hù)形成的圍巖整體性明顯好于錨索支護(hù)。結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果和工程實(shí)踐，優(yōu)化的支護(hù)方案具體參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)。錨桿直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2400 mm，左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，鋼號(hào)為HRB400，桿尾螺紋為M22，預(yù)緊力不低于80 kN，錨桿間距和排距分別為900 mm、1000 mm，垂直圍巖打設(shè)，配150 mm×150 mm×8 mm托板；金屬網(wǎng)采用5800 mm×1100 mm的網(wǎng)片，10＃菱形鐵絲，網(wǎng)孔50 mm×50 mm；錨索直徑17.8 mm，長(zhǎng)度6500 mm，由1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成，每排2根，間距和排距分別為2.0 m、3.0 m，配有300 mm×300 mm×12 mm的拱形鋼托板，預(yù)緊力不低于200 kN。

（2）兩幫支護(hù)。錨桿Φ18 mm，長(zhǎng)2000 mm，桿尾螺紋為M20，預(yù)緊力不低于60 kN，間距和排距分別為900 mm、1000 mm，配150 mm×150 mm×8 mm托板；金屬網(wǎng)采用2400 mm×1100 mm的網(wǎng)片，10#菱形鐵絲，網(wǎng)孔50 mm×50 mm。

4 支護(hù)參數(shù)理論計(jì)算法校核及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 支護(hù)參數(shù)理論校核

（1）錨桿錨固力校核

由錨桿錨固力計(jì)算公式可知：

式中：Q為錨桿錨固力，kN；d為錨桿直徑，mm；σt為抗拉強(qiáng)度，MPa。

所選頂板、兩幫支護(hù)錨桿直徑分別為20 mm、18 mm，HRB400螺紋鋼錨桿和HRB335金屬錨桿桿體的抗拉強(qiáng)度分別為540 MPa、445 MPa，故頂板錨桿、兩幫錨桿錨固力分別為：

（2）錨桿間排距校核

式中：a為錨桿間排距，m；Q為錨桿錨固力，取169.56 kN；巖體容重γ巖取25.48 kN/m3，煤體容重γ煤取14.11 kN/m3；k為安全系數(shù)，取1.8；H為巷道頂板巖體破碎帶高度，m。

式中：B為巷道寬度，5.2 m；f為普氏堅(jiān)固性系數(shù)，取1.5；h為巷道高度，取3.2 m；ω為圍巖的似內(nèi)摩擦角，ω=arctan（f）。

經(jīng)計(jì)算巷道頂板巖體破碎帶高度H=2.04 m，錨桿間排距a=1.81 m。

（3）錨索密度校核

式中：N為錨索數(shù)目，根/m；K為安全系數(shù)，取1.6；W為沿巷道單位長(zhǎng)度頂板懸吊載荷，kN；PW為錨索的最低破斷力，417 kN。

式中：B為巷道掘進(jìn)寬度，取5.2 m；∑h為懸吊煤層厚度，取2.36 m；∑r為懸吊煤層容重，取14.11 kN/m3。

（4）錨索排距校驗(yàn)

式中：b為錨索排距，m；n為每排錨索確定的根數(shù)，取2；Q為每根錨索最低破斷載荷，取417 kN；γ為煤體容重，14.11 kN/m3；B為巷道寬度，取5.2 m；k為安全系數(shù)，取1.6；h為巷道頂板巖體破碎帶高度，2.04 m。經(jīng)計(jì)算錨索排距為b=3.01 m。

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算校核，所優(yōu)化的巷道支護(hù)參數(shù)均符合要求。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)效果檢驗(yàn)

利用“十”字交叉法監(jiān)測(cè)回采巷道變形情況，從10月25日—12月25日監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，頂板最大下沉量為50 mm，兩幫最大變形量65 mm，最大變形均出現(xiàn)在工作面前方25 m左右，錨桿、金屬網(wǎng)完好，無(wú)破損失效情況。

5 結(jié)語(yǔ)

在煤巷支護(hù)中，由于支護(hù)形式、支護(hù)參數(shù)不合理，不能有效控制圍巖松動(dòng)圈的范圍，導(dǎo)致圍巖整體性差、圍巖不穩(wěn)定、變形較大，造成圍巖支護(hù)失效的問(wèn)題。運(yùn)用數(shù)值模擬、理論分析、工程類(lèi)比等方法，科學(xué)合理地優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，充分發(fā)揮支護(hù)的主動(dòng)性，充分調(diào)動(dòng)圍巖本身承載能力，盡可能擴(kuò)大錨索和錨桿控制松動(dòng)圈的范圍，從而更加科學(xué)、合理地解決巷道變形嚴(yán)重甚至失穩(wěn)問(wèn)題。