張煒卓

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

1 工程概況

同煤集團(tuán)同忻礦北二盤區(qū)8202工作面所掘煤層為二疊紀(jì)煤層,該煤層為結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的特厚煤層,該區(qū)域內(nèi)煤層最小厚度為15.65 m,最大厚度為16.79 m,平均厚度為16.31 m。煤層賦存較為穩(wěn)定,從皮帶大巷開(kāi)始向前約為500 m煤層為傾斜向下,傾角約1°;以后煤層傾角為緩向上,傾角1°～2°,到切眼位置煤厚變?yōu)?5.65 m。

煤層中含八層夾矸,巖性一般為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖,局部為粉砂巖、細(xì)砂巖及高嶺質(zhì)泥巖。以半亮型煤為主,半暗型次之,弱玻璃—玻璃光澤,碎塊狀,煤種為1/3焦煤。煤層頂?shù)装鍫顟B(tài)情況如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍫顟B(tài)情況表

8202工作面前700 m范圍內(nèi)均為一向斜,在向前掘進(jìn)過(guò)程中煤層較為平緩,煤層傾角一般為2°左右,工作面無(wú)較大斷層的影響。

在8202工作面上方相同位置存在一梁家礦侏羅系14號(hào)層采空區(qū)。采空區(qū)狀態(tài)根據(jù)其充水性土可以得出并無(wú)積水,且層間距為110 m～122 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程,8202工作面5202巷正巷斷面尺寸為5.2 m×3.95 m,開(kāi)挖面積為20.54 m2。5202巷布置在3號(hào)～5號(hào)煤層中,掘進(jìn)過(guò)程沿煤層底板進(jìn)行。

2 原巷道支護(hù)方式

根據(jù)同一礦區(qū)臨近巷道的支護(hù)經(jīng)驗(yàn),該巷道的頂板直接頂構(gòu)成為煤層或砂質(zhì)泥巖,屬于較為穩(wěn)定的巖層,使用錨網(wǎng)支護(hù)較為合理。同時(shí)需要使用高強(qiáng)度錨索將錨桿加固形成的“組合梁”懸吊在高強(qiáng)度的巖層中。最后根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)決定采用“錨、網(wǎng)、噴+錨索”的聯(lián)合支護(hù)方式。

巷道實(shí)際采用的支護(hù)方案為:頂錨桿采用φ20 mm×3 100 mm錨桿,間排距為900 mm×900 mm,每排6根錨桿,以巷道中心為對(duì)稱軸對(duì)稱分布;幫錨桿采用φ18 mm×2 500 mm錨桿,每排4根錨桿,第一個(gè)錨桿距頂板225 mm,間排距為900 mm×900 mm;錨索采用φ17.8 mm×8 300 mm,間排距1 800 mm×1 800 mm,三三布置;為提高安全性再附加組合錨索,采用φ17.8 mm×6 300 mm,間排距2 700 mm×3 600 mm,三花布置,支護(hù)布置結(jié)果見(jiàn)圖1。

3 支護(hù)方式優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 理論計(jì)算

根據(jù)二盤區(qū)臨近巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn),以及該巷道直接頂為煤及砂質(zhì)泥巖條件,屬較穩(wěn)定巖層,進(jìn)行較為經(jīng)濟(jì),在保證安全的情況下加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度的支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

要使幫錨桿的加固作用以及頂錨桿的懸吊作用有效,應(yīng)滿足公式:

L≥L1+L2+L3。

其中,L為錨桿總長(zhǎng)度；L1,L2,L3分別為錨桿外露長(zhǎng)度、有效長(zhǎng)度和錨入巖層深度,其中有效長(zhǎng)度一般取免壓拱高度b或幫部破碎深度c。

其中免壓拱高度由普氏公式計(jì)算:

b=[B/2+Htan(45°-ω幫/2)]/f頂。

其中，B，H分別為巷道掘進(jìn)尺寸的寬度和高度;ω為幫部圍巖內(nèi)摩擦角;f為頂板圍巖的普氏系數(shù)。代入該工程數(shù)據(jù)可得:

b=[5 200/2+3 950×tan(45°-

63.43°/2)]/3=1 194.82 mm。

由此可知頂部錨桿的長(zhǎng)度可由下式確定:

L≥50+1 194.82+900=2 144.82 mm。

每根錨桿可以懸吊的巖體重量可以由公式G=γL2a2確定。錨桿的錨固力需要可以承受所懸吊巖體的重量,為了提高安全性,設(shè)置安全系數(shù)K為2。根據(jù)巖體容重γ為23.6 kN/m3，可以計(jì)算出錨桿的間排距a應(yīng)該小于1.28 m。

再根據(jù)懸吊理論可知,為防止巷道頂板巖體發(fā)生大面積的整體垮落,需要使用錨索將已經(jīng)利用錨桿加固的頂板懸掛在更為堅(jiān)硬的巖層中。在計(jì)算錨索布置狀態(tài)時(shí),我們應(yīng)按照最嚴(yán)重的冒落方式考慮,即冒落高度大于錨桿的錨固長(zhǎng)度。并且忽略了巖體自身的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力,在根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算:

L=nF2/[BHγ-(2F1sinθ)/L1]。

其中,L為錨索排距;F1,F2分別為錨桿錨固力和錨索的極限承載力;L1為錨桿排距;B,H分別為巷道最大冒落寬度和最大冒落高度;θ為角錨桿和巷道頂板的夾角;n為錨索排數(shù)。代入數(shù)據(jù)可得錨索的間距應(yīng)小于2.83 m。

3.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)單仁亮等[1]研究的強(qiáng)幫強(qiáng)角支護(hù)理論,通過(guò)將幫部頂端和底端錨桿從水平方向改變?yōu)橄蛏舷蛳聝A斜15°～30°,再額外給錨桿施加預(yù)應(yīng)力,在強(qiáng)化幫部的同時(shí)改善巷道頂?shù)装宓氖芰顟B(tài),增強(qiáng)巷道的穩(wěn)定性的理論幫助。

根據(jù)康紅普等[2]研究結(jié)論,采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)支護(hù)方式,適用于巷道強(qiáng)度較低、巷道巖層松散等問(wèn)題,可以有效控制巷道的變形提供良好支護(hù)效果,該項(xiàng)目所在5205巷屬于煤巷主要由煤層構(gòu)成,符合適用條件,采用提高預(yù)緊力的方式為錨桿施加應(yīng)力。

根據(jù)懸吊理論[3],我們可以將巷道頂板的堅(jiān)硬巖層看作一個(gè)完整的承載結(jié)構(gòu),利用錨索將巷道頂板的軟弱巖層和堅(jiān)硬巖層組合在一起,使頂板懸吊在堅(jiān)硬巖層下方,錨索在結(jié)構(gòu)體系中發(fā)揮懸吊作用。由于8202工作面為特厚煤層,煤層平均厚度達(dá)到16 m,即使使用錨索,也難以將其嵌入堅(jiān)硬巖層,發(fā)揮錨索的懸吊作用。

根據(jù)組合拱理論[4],利用預(yù)應(yīng)力錨桿,在圍巖中形成錐形壓縮區(qū),在錨桿間距恰當(dāng)?shù)臈l件下,即可在圍巖中形成連續(xù)拱形壓縮區(qū),承載上部圍巖應(yīng)力。

由此我們對(duì)巷道幫部的錨桿以及頂板錨桿錨索支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化處理,采用的支護(hù)方式為:頂錨桿采用φ20 mm×3 500 mm錨桿,間排距為800 mm×900 mm,每排7根錨桿,以巷道中心為對(duì)稱軸對(duì)稱分布,最外側(cè)的錨桿分別向左右兩側(cè)傾斜15°角;幫錨桿采用φ18 mm×3 100 mm錨桿,每排4根錨桿,第一根錨桿距頂板225 mm,間排距900 mm×900 mm,最上端和最下端的錨桿也分別向上下兩側(cè)傾斜15°角，如圖2所示。

優(yōu)化后的方案通過(guò)延長(zhǎng)幫部錨桿的方式加強(qiáng)了幫部支護(hù)。角部錨桿額外向兩側(cè)傾斜,使巷道角部得到強(qiáng)化。由于煤層厚度使得錨索無(wú)法深入堅(jiān)硬巖層,錨索的懸吊作用難以發(fā)揮,因此在棄用錨索的情況下,加大錨桿的使用,充分發(fā)揮組合拱的作用。

4 數(shù)值模擬

本次數(shù)值模擬采用Flac3D軟件進(jìn)行,分別建立在原支護(hù)方式以及優(yōu)化后的支護(hù)方式兩種支護(hù)條件下,巷道圍巖的變形情況。通過(guò)對(duì)比分析在不同的支護(hù)方式下,巷道圍巖的變形情況以及塑性區(qū)分布特點(diǎn),比較兩種支護(hù)方式的優(yōu)劣情況,為使用優(yōu)化后的方案提供理論依據(jù),確保優(yōu)化后的支護(hù)方案具有較高的安全性以及可行性。

4.1 建立模型

在Flac3D建立寬、高30 m,進(jìn)深10 m的網(wǎng)格,網(wǎng)格均采用Brick單元進(jìn)行建造,網(wǎng)格以巷道所在為中心,按照距離進(jìn)行不均勻劃分,模型四周以及底部采用固定法向位移邊界,取z軸負(fù)方向?yàn)橹亓Ψ较?。在模型整體上附加初始應(yīng)力,在模型頂部額外附加均勻垂直壓應(yīng)力,如圖3所示。

根據(jù)同煤集團(tuán)提供的工程概況以及巖層力學(xué)性質(zhì)等基礎(chǔ)資料,結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn),所選取巖層力學(xué)、物理參數(shù)如表2所示。所有網(wǎng)格均采用摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則模型,計(jì)算機(jī)模型模擬先建立完基礎(chǔ)模型后,根據(jù)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行首次應(yīng)力平衡。在進(jìn)行巷道開(kāi)挖以及支護(hù)前將模型位移和速率清零之后再進(jìn)行模擬計(jì)算。

表2 巖層力學(xué)參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)比較在不同支護(hù)條件下的巷道變形大小,可以直觀對(duì)比原支護(hù)方式和優(yōu)化支護(hù)方式的支護(hù)效果。本次數(shù)值模擬主要對(duì)比兩種支護(hù)方式下的巷道圍巖垂直位移大小、水平位移大小以及塑性區(qū)狀態(tài)。

4.2.1 巷道圍巖位移結(jié)果分析

圖4為巷道圍巖垂直方向位移云圖，由圖4可知,采用原支護(hù)方案時(shí),頂板最大下沉量為37.42 mm,最大底鼓為6.62 mm。采用優(yōu)化支護(hù)方案后,由于幫部錨桿采用傾斜支護(hù)方式,對(duì)巷道頂板產(chǎn)生了一定的正面影響,頂板最大下沉量略微減少,最大值為35.85 mm,同時(shí)最大底鼓量基本保持不變。由此可以看出,優(yōu)化支護(hù)方案在減少支護(hù)的條件下依然可以保證巷道的穩(wěn)定性,確定了優(yōu)化支護(hù)方案的可行性。

圖5為巷道水平位移量,在原支護(hù)方案下,巷道兩幫的最大近移量分別為26.12 mm和25.89 mm。采用優(yōu)化支護(hù)后,兩幫的近移量均有小幅度減小,優(yōu)化后最大近移量為24.31 mm和24.43 mm。與原支護(hù)方案相比稍有改善,符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.2 巷道圍巖塑性區(qū)分布分析

圖6為優(yōu)化支護(hù)和原支護(hù)條件下塑性區(qū)對(duì)比圖,在兩種支護(hù)方式下,巷道圍巖均以壓剪破壞為主,支護(hù)方式在優(yōu)化前后塑性區(qū)范圍沒(méi)有較大變化,兩種支護(hù)方式對(duì)圍巖塑性區(qū)分布無(wú)較大影響,優(yōu)化支護(hù)在減少錨索使用的條件下依然可以保證巷道圍巖的穩(wěn)定。

5 結(jié)論

在原支護(hù)條件下頂板錨索較多,支護(hù)方案過(guò)于保守,造成支護(hù)成本過(guò)高。

優(yōu)化支護(hù)采用強(qiáng)幫強(qiáng)角支護(hù)理論中,將錨桿偏斜的方式,通過(guò)理論計(jì)算以及數(shù)值模擬分析,在不改變巷道安全性的條件下,優(yōu)化了巷道的支護(hù),減少了支護(hù)成本。

在成本縮減下,巷道兩幫以及頂板與原方案相比未出現(xiàn)較大位移,底板底鼓略微下降。塑性區(qū)分布在采用優(yōu)化方案后依然未出現(xiàn)較大變化。因此,采用優(yōu)化方案可以在減少支護(hù)成本的條件下,保證支護(hù)效果并提高掘進(jìn)效率。