郭洪臣

（山西壽陽潞陽昌泰煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400）

皮帶順槽支護(hù)質(zhì)量直接影響回采效率。本文以昌泰煤礦1502皮帶順槽支護(hù)為研究對象，對圍巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂法試驗(yàn)、變角剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)測得圍巖基本力學(xué)參數(shù)；使用鉆孔窺視儀技術(shù)對圍巖鉆孔10 m范圍破壞情況進(jìn)行考察，分析不同距離段破壞情況；運(yùn)用FLAC3D對圍巖破壞情況進(jìn)行數(shù)值模擬。以上述基礎(chǔ)理論研究為基礎(chǔ)，制定了巷道支護(hù)措施[1-5]。

1 概況

昌泰煤業(yè)1502運(yùn)輸巷所在煤層為15#煤層，平均厚度2.63 m，構(gòu)造簡單，煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，煤層底板為泥巖，傾角5°。1502皮帶順槽設(shè)計(jì)長度1141 m，巷道方位角246°，支護(hù)巷道寬4.5 m，高3 m。巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1，幫部和頂部均使用高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨桿為Ф18 mm×2000 mm，樹脂錨固劑。通過數(shù)據(jù)分析，錨桿的錨固力均不低于10 t。頂板施工永久錨桿3個(gè)，左右?guī)头謩e施工永久錨桿4個(gè)。

圖1 巷道支護(hù)措施（mm）

2 力學(xué)試驗(yàn)、鉆孔窺視儀分析及數(shù)值模擬

為對巷道支護(hù)措施進(jìn)行優(yōu)化，首先需要對巷道周圍圍巖應(yīng)力情況進(jìn)行理論分析。

2.1 基本參數(shù)測定

對1502皮順槽頂板泥巖和煤體力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行考察，測定基本參數(shù)。采用的測定方法為：單軸壓縮試驗(yàn)法，測定試件的單軸抗壓強(qiáng)度；巴西劈裂法試驗(yàn)，測定試件的抗拉強(qiáng)度；變角剪切試驗(yàn)，測定試件的抗剪參數(shù)。

測試出的參數(shù)見表1。

表1 圍巖基本參數(shù)表

2.2 數(shù)值模擬

巷道掘進(jìn)過程，巷道圍巖整體穩(wěn)定性決定了巷道后期支護(hù)強(qiáng)度要求?，F(xiàn)以試驗(yàn)測定的圍巖基本參數(shù)及不同巖性的力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，對巷道圍巖整體穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。不同圍巖基本力學(xué)參數(shù)見表2，運(yùn)用FLAC3D進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性模擬，模擬巷道圍巖位移云圖如圖2。

表2 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

圖 2 巷道圍巖位移模擬圖

巷道開挖后巷道表面變形破壞，應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，巷道表面位移量呈線性增加，頂板和兩幫監(jiān)測點(diǎn)位移速度明顯大于巷道底板監(jiān)測點(diǎn)。由圖2（d）可知，施加支護(hù)后圍巖變形量明顯降低，逐漸趨于水平。巷道圍巖變形穩(wěn)定后，巷道頂板變形量較大，為31.8 mm。由巷道圍巖位移云圖2（a）可知，巷道頂板變形明顯大于巷道兩幫和底板，巷道圍巖的最大變形量處于巷道頂板中部為31.8 mm，其次為巷道兩幫。在巷道兩幫圍巖深部區(qū)域形成應(yīng)力集中區(qū)，從巷道圍巖應(yīng)力分布圖2（b）可知，巷道圍巖最大主應(yīng)力極值點(diǎn)位于巷道左右兩幫，距離巷道表面距離約為3.2 m，應(yīng)力極值為8.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.38，而巷道頂板圍巖淺部最大主應(yīng)力最小，僅為0.04 MPa。從最小主應(yīng)力云圖2（c）和塑性區(qū)分布圖2（e）可知，巷道兩幫圍巖的應(yīng)力狀態(tài)明顯好于巷道頂?shù)装?。巷道底板拉?yīng)力區(qū)域較大，底板拉應(yīng)力極值最大為0.82 MPa。巷道圍巖主要發(fā)生塑性剪切破壞，其中，兩幫圍巖剪切破壞范圍較大，剪切塑性區(qū)的最大厚度為3.5 m；底板圍巖塑性破壞區(qū)次之，最大厚度為1.5 m；頂板剪切塑性區(qū)最小，為1.0 m。巷道底板圍巖發(fā)生塑性拉伸破壞，拉伸塑性區(qū)的厚度約為0.2 m。

3 優(yōu)化支護(hù)措施

根據(jù)力學(xué)參數(shù)、數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道變形范圍最大的位置為頂板，頂板在豎向應(yīng)力載荷作用下最大位移量為31.8 mm；其次為巷道兩幫產(chǎn)生的水平位移量，最大位移量8.6 mm。巷道最大載荷為8.6 MPa，目前巷道支護(hù)措施中，頂板使用了3根錨桿，左右?guī)头謩e使用了4根錨桿，頂板3根錨桿間距1250 mm，左右?guī)湾^桿豎向間距900 mm。通過分析，目前頂板錨桿布置情況和支護(hù)強(qiáng)度完全可以滿足支護(hù)要求。由于左右?guī)椭饕獮樗捷d荷，且載荷分布主要在巷道中部位置，因此，需要將左右?guī)偷腻^桿豎向間距縮短。通過分析，將左右?guī)湾^桿豎向距離調(diào)整到800 mm，優(yōu)化后支護(hù)措施如圖3。

圖3 優(yōu)化后巷道支護(hù)措施（mm）

4 效果考察

對優(yōu)化后的巷道支護(hù)措施進(jìn)行后期效果考察，主要考察巷道頂板和巷道左右?guī)筒课灰屏?，考察期?5 d。由圖4可知，巷道頂板深部最大變形量為41 mm，淺部最大位移量為18 mm，左右?guī)蜕畈孔畲笪灰屏繛?1 mm，淺部最大位移量為11 mm?，F(xiàn)場考察未發(fā)現(xiàn)巷道出現(xiàn)大的變形，和原設(shè)計(jì)支護(hù)措施相比，左右?guī)头€(wěn)定性更好。優(yōu)化后的支護(hù)措施可以有效控制巷道左右?guī)妥冃瘟?，在使用同等材料情況下，支護(hù)的巷道穩(wěn)定性更好。

圖4 位移分析圖

5 結(jié)語

本文使用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法，對巷道圍巖基本參數(shù)進(jìn)行了測定，使用數(shù)值模擬的方法對巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了巷道支護(hù)措施優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

（1） 巷道頂板承受的應(yīng)力最大，主要分布在巷道中部；左右?guī)统惺艿膽?yīng)力載荷主要分布在巷道豎向中部。

（2） 原巷道支護(hù)措施左右?guī)湾^桿間距過大，豎向間距從900 mm調(diào)整到800 mm，支護(hù)效果更好。

（3） 支護(hù)效果分析可知同等材料下，調(diào)整后的支護(hù)措施整體穩(wěn)定性更佳。