王曉東

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦， 河南 平頂山 467000）

引言

煤礦巷道頂板由于硬度較小，在開采過程中容易出現(xiàn)下沉量過大等現(xiàn)象，并且由于頂板整體性較差，也極易產(chǎn)生離層和垮落，不僅給巷道的有效支護(hù)帶來較大難度，也對(duì)操作人員的人身安全造成一定威脅，當(dāng)前巷道頂板冒頂已經(jīng)成為了制約巷道開采效率提升的重要因素之一。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，巷道支護(hù)技術(shù)不斷更新，該領(lǐng)域諸多學(xué)者針對(duì)軟弱復(fù)合頂板支護(hù)難問題進(jìn)行了多角度分析和研究[1]。本文在此基礎(chǔ)上，選取某礦93210 膠運(yùn)順槽為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種“內(nèi)+外層錨桿”的聯(lián)合支護(hù)方式，將該方式用于施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地檢驗(yàn)，該支護(hù)方式能夠在現(xiàn)有基礎(chǔ)上顯著提升巷道的支護(hù)效果，也為此類地質(zhì)環(huán)境下的巷道支護(hù)方案提供了借鑒。

1 工程概況

本文選取某礦93210 膠運(yùn)順槽為研究對(duì)象，該礦當(dāng)前開采煤層為3-1 號(hào)煤，煤層均厚3.40 m，煤層傾角較小，近似水平，煤層儲(chǔ)量較為豐富，普氏系數(shù)約為1.2，開采面積較大。煤層直接頂?shù)闹饕煞譃槟鄮r，平均厚度為5.65 m，普氏系數(shù)約為1.9。老頂?shù)闹饕煞譃榉凵皫r，平均厚度為8.36 m，直接底的主要成分為泥巖，平均厚度為0.28 m，老底的主要成分為細(xì)砂巖，平均厚度為1.08 m。93210 工作面四周分別為已開采區(qū)域、實(shí)體煤區(qū)、采區(qū)大巷和邊界煤柱。

2 巷道原支護(hù)方案及存在的問題

2.1 巷道原支護(hù)方案

巷道掘進(jìn)方向同底板走向一致，全長為2 290.18 m，能夠起到運(yùn)煤和通風(fēng)的作用。巷道斷面為矩形，寬度為5 400 mm，高度為2 800 mm。當(dāng)前采用的支護(hù)方案為“錨桿+錨索+鋼帶”聯(lián)合支護(hù)的方式，具體參數(shù)如下：

1)頂板支護(hù)：巷道頂板錨桿選用螺紋錨桿，錨桿直徑為16 mm，長度為2 100 mm，相鄰錨桿間的距離為1 100 mm，兩排錨桿間的距離為1 000 mm，每排錨桿的數(shù)量為5 根。錨索選用樹脂錨索，錨索直徑為15.24 mm，長度為6 500 mm，相鄰錨索間的距離為2 500 mm，兩排錨索間的距離為3 000 mm，每排錨索的數(shù)量為2 根。

2）兩幫支護(hù)：巷道兩幫錨桿選用圓鋼螺母，錨桿直徑為16mm，長度為2 100 mm，相鄰錨桿間的距離為900 mm，兩排錨桿間的距離為800 mm。

2.2 存在的問題

現(xiàn)有支護(hù)方案存在的主要問題是支護(hù)強(qiáng)度難以滿足實(shí)際要求，由于巷道頂板的組成成分為砂巖和泥巖等，硬度較低，屬于軟弱復(fù)合頂板。因此在掘進(jìn)過程中圍巖裂隙逐漸發(fā)育，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，使得圍巖變形量顯著增加，加之不同圍巖種類間的離層現(xiàn)象，使得頂板的整體性和支護(hù)效果進(jìn)一步下降。

根據(jù)支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的支護(hù)方案雖然是采用多種支護(hù)方式聯(lián)合支護(hù)的形式，但是各種方式相互間缺少配合，頂板僅由錨索支護(hù)，兩幫僅由錨桿支護(hù)，整體支護(hù)強(qiáng)度較低，支護(hù)效果較差，使得頂板和兩幫均存在變形量過大等現(xiàn)象，降低了巷道的掘進(jìn)效率。因此對(duì)于巷道的支護(hù)方案和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化具有實(shí)際意義。

3 優(yōu)化支護(hù)方案設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬分析

3.1 優(yōu)化支護(hù)方案

內(nèi)層錨桿的主要作用是提升圍巖的整體性，長錨桿的主要作用是加深錨固區(qū)域，使得錨固區(qū)域能夠避開圍巖破碎區(qū)域，提升圍巖的錨固效果。兩者相結(jié)合能夠顯著提升巷道的整體支護(hù)強(qiáng)度。

采用“內(nèi)+外層錨桿”的聯(lián)合支護(hù)方案，巷道頂板內(nèi)層錨桿選用左旋螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2.5 m，相鄰錨桿間的距離為600 mm，兩排錨桿間的距離為600 mm，巷道兩幫選用左旋螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2.5 m，相鄰錨桿間的距離為800 mm，兩排錨桿間的距離為800 mm。外層錨桿選用自進(jìn)式注漿長錨桿，錨桿長度為6.5 m，相鄰錨桿間的距離為800 mm，兩排錨桿間的距離為600 mm，錨桿和頂板的夾角為20°。錨桿固定完畢后立即進(jìn)行噴漿處理，優(yōu)化支護(hù)方案布置圖如圖1 所示。

3.2 數(shù)值模擬分析

利用FLAC3D 軟件將巷道的模型和相應(yīng)的支護(hù)方案導(dǎo)入其中，通過計(jì)算機(jī)輔助支護(hù)的方式進(jìn)行數(shù)值模擬，比較兩種支護(hù)方案下支護(hù)效果的區(qū)別。

模型長度為50 m，寬度為2 m，高度為18 m，綜合考慮計(jì)算機(jī)處理速度和精確程度，將模型劃分為41 350 個(gè)單元、61 095 個(gè)節(jié)點(diǎn)，取g=9.8 m/s。在模型的頂部設(shè)置應(yīng)力載荷，其余各處設(shè)置邊界約束。

3.3 頂板變形監(jiān)測(cè)

不同支護(hù)方案的支護(hù)效果可由頂板變形監(jiān)測(cè)曲線反映出來，由圖2 不難看出，相較于原有支護(hù)方案，優(yōu)化后的支護(hù)方案頂板變形量最大值為15.2 mm，相較于原來減少了接近50%。由此可見，新型支護(hù)方案適用于軟弱復(fù)合頂板的支護(hù)，能夠顯著提升頂板的整體性和穩(wěn)定性。

4 應(yīng)用效果分析

在巷道的指定位置使用JSS30A 數(shù)顯收斂計(jì)對(duì)巷道的圍巖變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)繪制出圍巖變形速率以及變形量曲線圖，通過圖像對(duì)不同支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行比較，巷道圍巖變形量曲線圖如圖3 所示。

使用優(yōu)化后的支護(hù)方案，頂板的最大變形量為19.2 mm，兩幫的最大變形量為5.8 mm，相較于原有的支護(hù)方案分別減少了59.8%和54.9%。由此可見，優(yōu)化后的支護(hù)方案作用效果顯著。

5 結(jié)語

本文選取某礦93210 膠運(yùn)順槽巷道作為研究對(duì)象，針對(duì)軟弱復(fù)合頂板現(xiàn)有支護(hù)效果較差等問題進(jìn)行分析研究，主要結(jié)論如下:

1）對(duì)現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)和支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，采用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算的方式確定了優(yōu)化后參數(shù)的可行性。

2）巷道頂板、兩幫最大變形量相較于原有的支護(hù)方案分別減少了59.8%和54.9%，由此可見，優(yōu)化后的支護(hù)方案支護(hù)效果顯著提升，能夠滿足軟弱復(fù)合頂板的支護(hù)要求。