樊鋒鋒

（山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 交城 030500）

引言

近年來，煤礦大型集約化程度加深，使得巷道斷面面積增加，同時(shí)巷道四周應(yīng)力分布、圍巖破壞相關(guān)規(guī)律非常復(fù)雜，所以應(yīng)對綜放工作面大斷面沿頂巷道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化處理，例如：頂板優(yōu)化、巷道優(yōu)化、巷道圍巖模擬優(yōu)化、預(yù)緊力優(yōu)化等，以此確保巷道的穩(wěn)定、安全，提高巷道支護(hù)工作效率[1]。

1 某礦綜放工作面基本情況分析

某礦每年生產(chǎn)能力約為0.82 Mt，主采3 號煤，煤層埋深650 m，煤層厚度和傾角分別約為5 m、5°，含泥巖和炭質(zhì)泥巖夾矸厚度為0.25 m。礦井沒有發(fā)生安全事故、為不容易發(fā)生自燃的煤層，S1301 工作面在3號煤層中布置，巷道為順著頂板掘進(jìn)，其工作面傾斜長度為300 m、走向長度為1 580 m，工作面布設(shè)了S1301 運(yùn)輸巷道、S1301 輔輸巷道、S1301 輔運(yùn)進(jìn)風(fēng)巷道和S1301 回風(fēng)巷道。巷道頂板巖性中砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖的厚度分別為5 m、5 m、6.5 m；底板巖性中粉砂巖、泥巖的厚度分別為3.2 m 和1 m。S1301作為南一盤區(qū)工作面，四周沒有開采、南接S1303 工作面，S1301 運(yùn)輸巷道的長度、矩形斷面寬度、高度、斷面面積分別為1 660 m、5 000 mm、3 800 mm、20 m2。

2 現(xiàn)場測量狀況觀察

巷道圍巖變形量通過十字?jǐn)嗝娣y量，建議每2 m布設(shè)測站數(shù)量為1 個(gè)，總共布設(shè)8 個(gè)測站即可。S1301工作面運(yùn)輸巷道掘進(jìn)作業(yè)，嚴(yán)格監(jiān)測巷道兩幫移近量、頂?shù)装逡平?，在這個(gè)過程考慮到行道底板是否發(fā)生變形問題。通過研究發(fā)現(xiàn)測站巷道圍巖移近量會(huì)隨著巷道掘進(jìn)而發(fā)生改變，巷道位移量發(fā)生先升高后逐漸平穩(wěn)的變化。掘進(jìn)1 周后，左幫位移量為80 mm、右?guī)臀灰屏繛?0 mm，整體變化為陡增的狀態(tài)；第2~第8 周兩幫保持穩(wěn)定，整體位移量約為150 mm，因巷道為沿頂掘進(jìn)，所以上位移量不會(huì)發(fā)生較大的改變，一般在12 mm 左右，說明巷道支護(hù)效果關(guān)系到礦井生產(chǎn)活動(dòng)[2]。

3 巷道錨固體強(qiáng)度情況研究

矩形巷道掘進(jìn)作業(yè)方便，但肩角位置發(fā)生形變的可能性較大，支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)期間頂角錨桿、底角錨桿，應(yīng)該保持一定的角度，目的為促使錨桿形成壓縮承載體，為正常構(gòu)建矩形巷道支護(hù)承載力學(xué)模型奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。錨桿承載體承受垂直壓力通過Fn表示，巷道錨固承載體強(qiáng)度通過q 表示：

式中：b 為錨固體壓縮帶厚度，m；Da為錨桿間距，m；Db為錨桿排距，m；Dmax為錨桿間排距，m；Pi為巷道支護(hù)體強(qiáng)度，MPa；Ф 為內(nèi)摩擦角，（°）；δs為錨桿桿體屈服強(qiáng)度，MPa；R1為頂板圓弧半徑，m；β 為圓弧對應(yīng)圓心角度，（°）；α 為錨桿壓縮角度，（°）；L 為錨固力度。

通過結(jié)果2 可以看出，錨桿直徑加大、錨桿長度加大，錨固承載體強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，巖層內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角提升，則會(huì)使得錨固承載體強(qiáng)度隨之改變。保證錨桿材質(zhì)、長度、間排距滿足要求，可促使巷道圍巖更加穩(wěn)定。

4 綜放工作面大斷面沿頂巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

4.1 巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

頂板可使用錨網(wǎng)梁聯(lián)合鎖進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，錨桿選擇MGLW500 無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，通過樹脂藥卷錨固作業(yè)，錨桿間排距設(shè)置800 mm、800 mm，頂部每排均設(shè)置6 根錨桿，錨固力為180 kN。金屬網(wǎng)通過8 號鐵絲進(jìn)行編織，網(wǎng)格尺寸40 mm×40 mm，錨索采取Ф22 mm×8 200 mm 鋼絞線，以3-4-3 的方式布置即可，其中3 根和4 根錨索間排距分別設(shè)置為1 500 mm、1 000 mm，錨固方式為樹脂藥卷錨固，張拉力在350 kN 左右，鋼筋梯子梁使用的為圓鋼雙筋梯子梁。

巷道選擇鋼網(wǎng)、W 鋼帶支護(hù)，選擇MGLW500 無縱筋肋螺紋鋼式樹脂錨桿尺寸為Ф22 mm×2 400 mm錨固的方式同樣為樹脂藥卷錨固。錨桿間排距、兩幫布置錨桿數(shù)量、錨固力分別為800 mm×800 mm、4根、150 kN，金屬網(wǎng)編織、網(wǎng)格尺寸同上，要求每根錨桿配置一個(gè)W 鋼帶。

4.2 巷道圍巖模擬優(yōu)化方法

為評判巷道支護(hù)參數(shù)是否可行，建議通過相似模擬實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證，沒有支護(hù)條件下巷道頂板冒落破壞，完善支護(hù)計(jì)劃后巷道變形量不會(huì)受到嚴(yán)重影響，而且利于順利進(jìn)行回采作業(yè)?？梢?，錨桿支護(hù)長度的確定，直接關(guān)系到錨固承載體承載方面能力、巷道圍巖穩(wěn)定。沒有支護(hù)狀態(tài)和優(yōu)化支護(hù)狀態(tài)的情況，如圖1、圖2 所示。

圖1 無支護(hù)狀態(tài)

圖2 優(yōu)化后的支護(hù)狀態(tài)

4.3 錨桿類型和支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

4.3.1 懸吊優(yōu)化方法

因?yàn)樯喜坑胁煽諈^(qū)，地質(zhì)條件特殊情況下使用長錨索懸吊無法實(shí)現(xiàn)，所以建議通過懸吊+限制錨桿加固組合梁、錨索鋼梁進(jìn)行處理，支護(hù)方式選用高強(qiáng)預(yù)緊力錨桿和錨索鋼帶。

4.3.2 組合梁優(yōu)化方法

在組合梁理論下使用高強(qiáng)度高預(yù)緊力錨桿，目的為促使巷道頂煤、頂板巖層組合形成組合梁，有效提升組和巖層承載方面的能力。

4.4 預(yù)緊力優(yōu)化方法

錨桿預(yù)緊力合理可保證頂板巖層沒有離層，減小頂板巖層拉應(yīng)力區(qū)域，模型計(jì)算獲得錨桿排距在1.2 m左右，有助于獲取最理想的預(yù)緊力數(shù)值，然后構(gòu)建有限元軟件模型。預(yù)緊力保持30 kN 的時(shí)候，圍巖不會(huì)出現(xiàn)離層、位移量過大的現(xiàn)象，然而巷道上方1 m 左右位置有拉應(yīng)力，這時(shí)為保證整體錨固效果，則建議通過提高預(yù)緊力、減小拉應(yīng)力分布區(qū)域的方式進(jìn)行處理。

4.5 錨桿直徑優(yōu)化方法

聯(lián)系錨桿預(yù)緊力情況、考慮到圍巖應(yīng)力，將安全系數(shù)確定為1.4 倍，通過計(jì)算錨桿可使用Q500、直徑為20 mm，桿體力學(xué)性能參照理論屈服強(qiáng)度在150 kN左右，抗拉強(qiáng)度在220 kN 以上。

4.6 構(gòu)建模型優(yōu)化方法

為保證輔運(yùn)巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)置合理，要求根據(jù)有限差分計(jì)算程序FLAC 3D，進(jìn)行各個(gè)支護(hù)參數(shù)模擬分析工作，經(jīng)對巷道圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)、變形相關(guān)狀況研究獲得適合的支護(hù)計(jì)劃。其中錨桿、長度、間排距、錨索直徑、長度、排距分別設(shè)定為22 mm、2 400 mm、1 000 mm×1 000 mm、18 mm、8 200 mm、2 800 mm。除此之外，應(yīng)對所有支護(hù)計(jì)劃巷道圍巖應(yīng)力、位移變化進(jìn)行分析和研究，在這個(gè)階段認(rèn)真做好頂板、煤層、底板協(xié)調(diào)工作，然后確定數(shù)值模型長度為55 m、寬度為15 m、高度為50 m，劃分了不同的單元及節(jié)點(diǎn)，使用的為Mohr-Coulomb 模型。

4.6.1 巖層物理力學(xué)性質(zhì)情況分析

1）基本頂彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力，以及內(nèi)摩擦角、密度和抗拉強(qiáng)度分別為37.8 GPa、0.36、21.2 MPa、35°、2 580 kg/m3、3.85 MPa；

2）直接頂彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力，以及內(nèi)摩擦角、密度和抗拉強(qiáng)度分別為12.4 GPa、0.40、16.5 MPa、23°、1 950 kg/m3、2.76 MPa；

3）煤層彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力，以及內(nèi)摩擦角、密度和抗拉強(qiáng)度分別為5.91 GPa、0.34、5.78 MPa、15.6°、1 680 kg/m3、1.35 MPa；

4）直接底彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力，以及內(nèi)摩擦角、密度和抗拉強(qiáng)度分別為39 GPa、0.46、27.2 MPa、36.1°、2 660 kg/m3、5.48 MPa；

5）基本底彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力，以及內(nèi)摩擦角、密度和抗拉強(qiáng)度分別為45.2 GPa、0.39、23.2 MPa、32.56°、2 640 kg/m3、4.11 MPa。

4.6.2 煤層頂?shù)装鍫顩r

基本頂巖石名稱為中、細(xì)砂巖，厚度為21 m，巖石主要特征為灰白色中細(xì)互層；直接頂巖石名稱為砂質(zhì)泥巖、5-1 煤，厚度為10 m，巖性主要特征為黑灰色泥巖、質(zhì)地較軟；直接底巖石名稱為砂質(zhì)泥巖，厚度為4 m，巖性主要特征為呈黑色砂質(zhì)泥巖、為泥質(zhì)膠結(jié)、質(zhì)軟的狀態(tài)。

5 結(jié)語

巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建力學(xué)模型，可以保證錨桿長度、錨桿間排距、錨桿直徑等設(shè)置合理、科學(xué)，提高錨固體承載水平。本文通過對S1301 運(yùn)輸巷道支護(hù)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)支護(hù)計(jì)劃的可行性，利于確保巷道的完整?，F(xiàn)場測量獲得巷道兩幫圍巖移近速度，按照升高——降低的順序發(fā)生改變，并且巷道頂板移近速度發(fā)生了一定改變，處于穩(wěn)定的狀態(tài)。巷道圍巖移近量升高后保持穩(wěn)定，底板不會(huì)發(fā)生變形現(xiàn)象，頂板變形量最大在12 mm 左右，因而對巷道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化處理，以此滿足礦井生產(chǎn)方面的需要，推動(dòng)煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。