侯華營(yíng)，陳朋磊，張紅軍，趙紅濤，臺(tái)洪斌，張道文，徐建雅

(1.河南能源化工集團(tuán) 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600； 2.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

資源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，煤炭資源是所有資源中非常重要的構(gòu)成部分。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)體量的不斷增加，對(duì)煤炭資源的需求量也在快速增長(zhǎng)[1]。我國(guó)每年都需要開采大量的煤炭資源供社會(huì)使用，極大地促進(jìn)了煤炭開采技術(shù)水平的提升[2]。目前，煤炭開采效率不斷提升，快速掘進(jìn)技術(shù)作為提升煤礦開采效率的重要手段，在煤炭工程實(shí)踐中得到大范圍的應(yīng)用[3]。然而快速掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用給煤礦巷道支護(hù)技術(shù)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的煤礦巷道支護(hù)方案已然無法滿足快速掘進(jìn)的基本需要，不利于煤礦開采的安全性[4]。因此，有必要結(jié)合快速掘進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)以及煤礦巷道圍巖基本屬性，對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行深入分析和研究，提出更加先進(jìn)的巷道支護(hù)技術(shù)方案，提高支護(hù)效果，提高煤礦開采過程的安全性和可靠性[5]。本文以某煤礦回風(fēng)巷道為例，對(duì)快速掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行研究，主要分析了原巷道支護(hù)方案的不足，并提出了對(duì)應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)方案，通過工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)取得了很好的應(yīng)用效果。對(duì)于促進(jìn)巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，確保煤礦生產(chǎn)安全具有重要的實(shí)踐意義。

1 煤礦巷道概況

某煤礦目前的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為240萬t/a，礦井經(jīng)過了多年開采，內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了很多老窯。該煤礦中很多礦井仍然采用比較傳統(tǒng)的采掘方式，已經(jīng)無法滿足高效率的煤礦開采實(shí)際需要，亟須對(duì)煤礦開采工藝進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，需要基于快速掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行煤礦開采?？焖倬蜻M(jìn)技術(shù)對(duì)巷道的支護(hù)技術(shù)提出了更高的要求，需要對(duì)煤礦巷道的支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行升級(jí)改造。另一方面，當(dāng)前該煤礦的開采煤層埋藏深度普遍較淺，隨著煤礦開采的不斷推進(jìn)，后續(xù)開采的煤層深度越來越深。煤層埋深越深意味著圍巖屬性越復(fù)雜，對(duì)巷道支護(hù)方案要求也越高。基于此，有必要對(duì)煤礦巷道中快速掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行分析和研究。

本文主要以某煤層中的回風(fēng)巷道為例進(jìn)行分析，煤層厚度8.50～16.23 m，平均厚度13.68 m，煤層傾角4.30°～13.29°，平均傾角9.40°?；仫L(fēng)巷道整體為矩形，高度3.5 m，寬度5.2 m。經(jīng)過地質(zhì)勘察，發(fā)現(xiàn)該煤層巷道的圍巖屬性比較復(fù)雜，存在很多斷層、褶曲構(gòu)造比較多，使得圍巖屬性比較軟弱，容易破碎，這在很大程度上增加了巷道支護(hù)的難度[6]。

2 原支護(hù)方案及穩(wěn)定性分析

2.1 原支護(hù)方案

煤礦回風(fēng)巷道原支護(hù)技術(shù)方案如圖1所示。巷道頂板采用的錨桿為左旋螺紋鋼，直徑和長(zhǎng)度分別為22 mm和2.4 m，2根錨桿之間的距離為0.9 m，相鄰2排錨桿之間的距離為1 m，所有錨桿全部布置在W型鋼帶上。配合使用高強(qiáng)度托盤和樹脂藥卷，其中托盤的規(guī)格尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，藥卷的型號(hào)為Z2360和K2335。頂板部位鋪設(shè)直徑6 mm鋼筋制成的鋼筋網(wǎng)，規(guī)格為2 m×1 m，網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm。頂板中使用的錨索直徑和長(zhǎng)度分別為17.8 mm和8.3 m，錨索之間的間距為2 m，排距同樣為2 m。配套使用的金屬托盤規(guī)格尺寸為300 mm×300 mm×16 mm。

圖1 回風(fēng)巷道原支護(hù)技術(shù)方案Fig.1 Original supporting technology scheme of the returning roadway

巷道的左幫采用玻璃鋼錨桿和塑料網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，錨桿采用的是右旋螺紋樹脂，直徑20 mm，長(zhǎng)度2.2 m，間排距為1.2 m×1.0 m。配套使用塑鋼托盤和樹脂藥卷，其中托盤規(guī)格尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，藥卷的型號(hào)為Z2360。塑料網(wǎng)規(guī)格為2 m×1 m，網(wǎng)孔尺寸為50 mm×50 mm。右?guī)湾^桿采用的是左旋無縱筋螺紋鋼，直徑22 mm，長(zhǎng)度2.4 mm，間排距為1.2 m×1.0 m，配套使用的托盤、樹脂藥卷和鋼筋網(wǎng)與頂板相同。巷道的底板利用C25混凝土進(jìn)行鋪設(shè)，厚度為0.2 m。

2.2 穩(wěn)定性分析

為了分析煤礦回風(fēng)巷道原支護(hù)技術(shù)方案在工程實(shí)踐中的穩(wěn)定性，對(duì)巷道表面的位移變形情況、頂板的離層情況以及錨桿錨固力的變化情況等進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)測(cè)試，結(jié)果分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 巷道圍巖的位移變形演變情況Fig.2 Deformation evolution of the displacement and surrounding rock of roadway

由圖2可知，煤礦巷道開挖以后，不管是頂?shù)装暹€是兩幫部位的位移變形量均隨時(shí)間推移不斷增大，但最終保持穩(wěn)定，且兩幫部位率先趨于穩(wěn)定。頂?shù)装逦灰谱冃瘟空w上比兩幫位移變形量要大。穩(wěn)定狀態(tài)下，頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰谱冃瘟糠謩e為47 mm和41 mm。本研究在巷道中取4個(gè)部位進(jìn)行頂板離層量觀測(cè)，由圖3可知，4個(gè)部位的頂板離層量演變趨勢(shì)基本保持相同，即隨時(shí)間延長(zhǎng)離層量不斷增加，但最終趨于穩(wěn)定。其中1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的離層量最大，3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的離層量最小，穩(wěn)定狀態(tài)下上述2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的離層量分別為31.6 mm和18.0 mm。

圖3 巷道頂板離層量的演變情況Fig.3 Evolution of the amount of the roof separation of the roadway

由圖4可知，頂板和兩幫的錨桿錨固力大小演變情況與其位移變形的演變規(guī)律基本相同，即隨時(shí)間延長(zhǎng)錨固力逐漸增大，但最終保持穩(wěn)定。并且頂板錨桿錨固力比兩幫要大。穩(wěn)定狀態(tài)下，頂板和兩幫錨桿錨固力分別為187 kN和168 kN。

圖4 巷道錨桿錨固力的演變情況Fig.4 Evolution of the anchoring force of roadway bolts

從頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰谱冃瘟恳约绊敯搴蛢蓭湾^桿錨固力的演變情況可以看出，原巷道支護(hù)技術(shù)方案基本能夠滿足基本需要，但是從頂板離層量角度出發(fā)，其數(shù)值相對(duì)偏大，不利于巷道的支護(hù)安全?；诖耍斜匾獙?duì)原煤礦回風(fēng)巷道支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3 快速掘進(jìn)支護(hù)方案的優(yōu)化

3.1 支護(hù)方案優(yōu)化

由于本文研究的回風(fēng)巷道圍巖整體比較松軟、破碎，并且內(nèi)部包含有夾矸層。因此，對(duì)于頂板應(yīng)該采用“錨桿+錨索+護(hù)表構(gòu)件”聯(lián)合支護(hù)方案[7]，兩幫部位應(yīng)該采用“錨桿+護(hù)表構(gòu)件”聯(lián)合支護(hù)方案[8]。這與原支護(hù)方案相同，所以在對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，無需做大改動(dòng)，只需對(duì)錨桿和錨索的間距、排距及其排列方式等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)即可。優(yōu)化后的巷道頂板和兩幫的支護(hù)方案如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后巷道頂板和兩幫的支護(hù)方案Fig.5 Optimized supporting scheme of the roof and two gangs of roadway

由圖5可知，優(yōu)化后的方案與原方案相比較而言，改進(jìn)之處主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①同一排中的錨桿利用長(zhǎng)度為1 m的槽鋼進(jìn)行連接，使所有錨桿能夠形成一個(gè)整體，提升錨桿支護(hù)的穩(wěn)定性；②頂板部位的錨索排列方式由“三二三”方式轉(zhuǎn)變成為“二二”方式，一排處在2排錨桿中間，錨索之間的距離為2 m，鄰排錨索分布在鋼帶兩端，即處在頂板兩側(cè)部位，并且錨索與豎直方向呈30°布置；③兩幫部位每排設(shè)置4根錨桿，比原方案中的3根錨桿多1根錨桿，錨桿的型號(hào)和尺寸與原方案完全相同，錨桿的間距和排距均為1 m。

3.2 優(yōu)化后支護(hù)方案的數(shù)值模擬

(1)數(shù)值模型的建立。FLAC3D有限元軟件可以對(duì)圍巖的變形情況進(jìn)行模擬，目前在煤礦領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛[9]?；谇拔脑O(shè)計(jì)的煤礦巷道支護(hù)方案，結(jié)合巷道圍巖基本屬性，利用FLAC3D有限元軟件建立煤礦巷道的支護(hù)方案模型，對(duì)巷道圍巖的變形情況以及錨桿錨索的受力情況進(jìn)行模擬仿真分析。通過有限元仿真分析，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)支護(hù)方案的正確性。基于FLAC3D軟件建立的回風(fēng)巷道圍巖的有限元模型如圖6所示。為了更好地反映煤礦巷道圍巖的變形情況，建立的有限元模型規(guī)格尺寸為50 m×45 m×6 m。利用軟件對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)化網(wǎng)格劃分，最終得到的單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為67 995和75 486。

圖6 回風(fēng)巷道圍巖的有限元模型Fig.6 Finite element model of surrounding rock of returning roadway

正確設(shè)置模型中不同圍巖的基本屬性是獲得準(zhǔn)確結(jié)果的基礎(chǔ)和前提[10]。為了得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果，對(duì)不同的圍巖物理屬性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。圖6中所述的不同圍巖物理屬性參數(shù)見表1。

表1 巷道中不同圍巖的物理屬性參數(shù)Tab.1 Physical attribute parameters of different surrounding rocks in the roadway

將表1中所列的物理參數(shù)輸入到有限元模型中，以便得到精確的計(jì)算結(jié)果。

(2)模擬仿真結(jié)果分析。煤礦回風(fēng)巷道圍巖在垂直方向和水平方向上的位移變形云圖如圖7所示，其中垂直方向可以很好地描述巷道頂?shù)装逯g的位移變形情況，水平方向可以描述巷道兩幫的位移變形情況。

圖7 巷道圍巖位移變形云圖Fig.7 Displacement deformation cloud map of roadway surrounding rock

由圖7可知，圍巖的位移變形情況主要集中在巷道附近，在相同方向上，與巷道的距離越近則變形量越大；相反地，與巷道的距離越遠(yuǎn)則變形量越小。主要是因?yàn)橄锏篱_挖后改變了圍巖原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，需要通過變形重新找到受力平衡。圍巖雖然有很大的變形趨勢(shì)，但是在先進(jìn)的巷道聯(lián)合支護(hù)作用下，變形量得到了有效的控制。圖中所示為穩(wěn)定狀態(tài)下圍巖的位移變形量，可以看出圍巖在頂?shù)装宸较蛏系淖畲笪灰谱冃瘟繛?5.68 mm，其中變形主要集中在頂板部位，且頂板中間位置的變形量最大，而底板部位的變形量相對(duì)很小，幾乎可以忽略不記；在兩幫方向上的最大位移變形量為29.37 mm，其中變形主要集中在右?guī)筒课?，且右?guī)椭胁课恢玫淖冃瘟孔畲螅髱筒课坏淖冃吻闆r相對(duì)更小。

煤礦回風(fēng)巷道支護(hù)中錨桿軸向力的分布情況如圖8所示。從圖8中可以明顯看出，不論是頂部還是兩幫部位的錨桿，全部承受軸向拉應(yīng)力，其中軸向拉應(yīng)力的最大值為158.6 MPa。進(jìn)一步對(duì)頂部和兩幫部位錨桿軸向力隨時(shí)間的演變情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在初始階段，所有錨桿的軸向拉應(yīng)力均出現(xiàn)快速的增加。主要是因?yàn)槌跏茧A段巷道圍巖的穩(wěn)定性非常差，會(huì)發(fā)生明顯的變形，變形量越大，導(dǎo)致錨桿的拉應(yīng)力越大。與此同時(shí)，在巷道支護(hù)的綜合作用下，巷道圍巖的變形量逐漸降低，且最終趨于穩(wěn)定。對(duì)應(yīng)的錨桿的軸向拉應(yīng)力增長(zhǎng)速度逐漸減緩，最終也趨于穩(wěn)定。

圖8 巷道支護(hù)中錨桿軸力的分布情況Fig.8 Distribution of axial force of bolt in roadway supporting

基于有限元分析結(jié)果可知，通過對(duì)煤礦巷道支護(hù)技術(shù)方案的優(yōu)化改進(jìn)，巷道圍巖的位移變形量以及錨桿的軸向拉應(yīng)力均出現(xiàn)了不同程度的降低。特別是兩幫部位的位移變形量和錨桿軸向力的減小幅度相對(duì)較大?？梢?，此次針對(duì)煤礦巷道的支護(hù)優(yōu)化改進(jìn)方案是可行的，可以將其應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，進(jìn)一步提升煤礦開采過程的安全性。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 巷道圍巖穩(wěn)定性對(duì)比分析

通過數(shù)值模擬分析可以看出，對(duì)煤礦回風(fēng)巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，其支護(hù)效果與原方案相比有了一定程度的提升，因此將優(yōu)化后的快速掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)方案應(yīng)用到煤礦開采工程實(shí)踐中，并對(duì)其實(shí)踐應(yīng)用效果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。同樣地，主要對(duì)煤礦巷道圍巖的位移變形量、錨桿錨固力以及頂板離層量的演變情況進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，巷道圍巖的各項(xiàng)指標(biāo)與優(yōu)化前的演變規(guī)律基本相同，即巷道開挖后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，以上各項(xiàng)指標(biāo)逐漸增大，最終都保持穩(wěn)定。但是穩(wěn)定狀態(tài)下，各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值與優(yōu)化前相比均有了一定程度的降低，特別是頂板離層量降低幅度較大，結(jié)果見表2，表2中所列數(shù)據(jù)均為穩(wěn)定狀態(tài)下的最大值。

表2 煤礦巷道支護(hù)方案優(yōu)化前后穩(wěn)定性指標(biāo)對(duì)比Tab.2 Comparison of stability indexes before and after optimization of coal mine roadway supporting scheme

由表中數(shù)據(jù)可知，通過對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)方案的優(yōu)化改進(jìn)，巷道圍巖的穩(wěn)定性有了明顯的提升。圍巖的位移變形量、頂板離層量以及錨桿錨固力均出現(xiàn)了一定程度的降低，其中頂板離層量的降低幅度最大，達(dá)到了31.33%。優(yōu)化后的巷道支護(hù)方案可以更好地保障巷道安全。

4.2 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

原煤礦回風(fēng)巷道支護(hù)方案的建設(shè)成本為1 614元/m。而優(yōu)化后的支護(hù)技術(shù)方案由于縮短了錨桿間距以及錨索間距，建設(shè)成本有所增加，約為1 752元/m，與優(yōu)化前相比較建設(shè)成本增加了8.55%。但是優(yōu)化后的支護(hù)方案具有更高的穩(wěn)定性，后期的維護(hù)成本相比較低。從經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行分析，可以認(rèn)為優(yōu)化前和優(yōu)化后的巷道支護(hù)技術(shù)方案基本持平。

綜上所述，通過對(duì)煤礦巷道快速掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，巷道掘進(jìn)后圍巖的穩(wěn)定性有了明顯提升，為煤礦安全奠定了良好的基礎(chǔ)，取得了非常好的安全效益。經(jīng)濟(jì)效益方面，優(yōu)化后的煤礦巷道支護(hù)方案建設(shè)成本基本與原方案持平，但是有了更加安全的煤礦開采環(huán)境，可以進(jìn)一步提升煤礦開采效率。從該層面而言，可以為煤礦企業(yè)創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

本文以某礦井回風(fēng)巷道為研究對(duì)象，對(duì)其快速掘進(jìn)支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行了分析與優(yōu)化，所得結(jié)論主要如下。

(1)礦井的開采年限較為久遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的煤礦巷道支護(hù)技術(shù)方案已經(jīng)無法滿足快速掘進(jìn)的基本需要，在原支護(hù)方案的作用下，頂板的離層量相對(duì)較大，存在一定的安全隱患，需要對(duì)支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

(2)針對(duì)原巷道支護(hù)技術(shù)方案存在的問題，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，主要是在錨桿安裝位置增加設(shè)置槽鋼，提升錨桿整體的穩(wěn)定性，改變錨索的布置方式，增加幫部位置錨桿的數(shù)量等。使用FLAC3D軟件對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)效果較好，可以應(yīng)用到工程實(shí)踐中。

(3)將優(yōu)化改進(jìn)后的煤礦巷道支護(hù)技術(shù)方案應(yīng)用到煤礦開采實(shí)踐中，對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，發(fā)現(xiàn)與原支護(hù)方案相比較取得了較好的效果，圍巖穩(wěn)定性更高，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全效益。