姜志亮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖煤業(yè)大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

我國作為世界上人口最多的國家，煤炭資源的消耗量一直居高不下，據(jù)統(tǒng)計(jì)煤炭占我國一次能源消耗量的7 成左右，同時(shí)我國礦井多為井工開采，在煤炭資源的開采過程中會(huì)遇到較多問題。掘進(jìn)和回采是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。我國大中型煤礦年掘進(jìn)巷道總長度約為8 000 km，其中約有80%以上的巷道在煤層中掘進(jìn)，由于巷道巖性較為軟弱，所以對巷道進(jìn)行合理的支護(hù)十分重要[1-2]。在巷道支護(hù)過程中，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)，巷道圍巖變形很難得到有效控制，巷道開采安全得不到有效的保障，而支護(hù)強(qiáng)度過大時(shí)，此時(shí)雖然巷道圍巖的穩(wěn)定性得到有效的保護(hù)，但會(huì)增大支護(hù)成本，降低礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，所以確定支護(hù)的合理參數(shù)對巷道穩(wěn)定性維護(hù)及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益保護(hù)均有著至關(guān)重要的影響[3-4]。本文利用數(shù)值模擬軟件對不同錨桿支護(hù)參數(shù)下的支護(hù)效果進(jìn)行分析，確定最佳支護(hù)參數(shù)，為礦井安全高效開采提供參考依據(jù)。

1 模型建立

某礦現(xiàn)主采煤層為6 號(hào)煤層，煤層的厚度為3.4～5.6 m，煤層平均厚度為4.2 m，煤層傾角為0～2°，為近水平煤層，煤層的偽頂由泥巖和炭質(zhì)泥巖組成，偽頂?shù)暮穸仍?～3 m，巷道直接頂為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖組成。粉砂巖、細(xì)砂巖組成巷道的老頂。巷道的底板偽底與偽頂巖層巖性類似。巷道直接底由粉砂巖組成。

為了對工作面支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用模擬軟件對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬研究，首先進(jìn)行模型的建立，根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)情況建立模型長、寬、高分別為285 m×300 m×200 m。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)將靠近巷道位置的部分進(jìn)行細(xì)化分，完成網(wǎng)格劃分，共計(jì)1 501 250 個(gè)單元及1 577 345 個(gè)節(jié)點(diǎn)。對模型進(jìn)行約束設(shè)置，固定模型X、Y、Z 方向的垂直水平方向位移。在模型的頂端施加垂直均布荷載8.6 MPa。本文模擬螺紋錨桿密度為7 900 kg/m3，錨桿彈性模量為200 GPa。

2 模擬結(jié)果

首先對不同錨桿長度下巷道圍巖支護(hù)效果進(jìn)行分析。

由圖1 可以看出，采用全長錨固時(shí)，當(dāng)錨桿長度為1 900 mm 時(shí)，巷道支護(hù)頂錨桿和幫錨桿全部處于塑性區(qū)內(nèi)，此時(shí)巷道支護(hù)方案難以發(fā)揮錨桿的支護(hù)能力，支護(hù)效果較差；當(dāng)錨桿長度增大為2 200 mm 時(shí)，巷道幫錨桿的錨固段部分打入至巖石的穩(wěn)定層內(nèi)，此時(shí)錨桿具備一定的支護(hù)能力，而巷道頂錨桿則全部處于塑性區(qū)內(nèi)；當(dāng)錨桿長度增大至2 500 mm 時(shí)，此時(shí)巷道幫錨桿的錨固段打入穩(wěn)定巖層中，頂錨桿處于塑性區(qū)內(nèi)，頂錨桿的錨固段未進(jìn)入穩(wěn)定巖層中；當(dāng)錨桿長度增大為2 800 mm 時(shí)，此時(shí)幫錨桿錨固段打入穩(wěn)定巖層的長度進(jìn)一步增大，而頂錨桿的錨固段未進(jìn)入穩(wěn)定巖層。所以在進(jìn)行全長錨固時(shí)，必須將錨桿的長度設(shè)定超過2 200 mm。

圖1 不同錨桿長度下巷道圍巖塑性云圖

對全長錨固下不同錨桿間距下巷道圍巖變形進(jìn)行研究，繪制不同錨桿間距下巷道圍巖變形曲線如下頁圖2 所示。

從圖2 可以看出，隨著錨桿間距的不斷減小，巷道兩幫移近量、頂板下沉量均呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，而底鼓量呈現(xiàn)相反的趨勢。當(dāng)錨桿的間距為750 mm時(shí)，此時(shí)巷道兩幫的移近量為192 mm，巷道頂板下沉量為112 mm，巷道的底鼓量為128 mm，而當(dāng)錨桿的間距增大至850 mm 時(shí)，此時(shí)巷道兩幫的移近量為202 mm，巷道頂板下沉量為121 mm，巷道的底鼓量為121 mm。錨桿的間距增大至900 mm 時(shí)，此時(shí)巷道兩幫的移近量為206 mm，巷道頂板下沉量為123 mm，巷道的底鼓量為119 mm。當(dāng)錨桿的間距增大至1 000 mm 時(shí)，此時(shí)巷道兩幫的移近量為260 mm，巷道頂板下沉量為136 mm，巷道的底鼓量為110 mm。綜合分析可知當(dāng)錨桿的間距設(shè)定小于900 mm 時(shí)，此時(shí)繼續(xù)加密錨桿密度并不會(huì)取得較好的效果，巷道圍巖變形量變化幅度較小，而當(dāng)錨桿間距大于900 mm時(shí)，此時(shí)降低錨桿間距能夠大幅度降低巷道變形量，所以考慮到安全及礦井經(jīng)濟(jì)效益的情況下，選定全長錨固時(shí)錨桿間距為900 mm 最佳。

圖2 不同錨桿間距下巷道圍巖變形曲線

對全長錨固下不同錨桿排距下巷道圍巖變形進(jìn)行研究，繪制不同錨桿排距下巷道圍巖變形曲線如圖3 所示。

圖3 不同錨桿排距下巷道圍巖變形曲線

如圖3 所示可以看出，隨著錨桿排距的不斷減小，巷道兩幫位移量、頂板下沉量均呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，而底鼓量呈現(xiàn)相反的趨勢。在全長錨固條件下，當(dāng)錨桿排距為900 mm 時(shí)，巷道兩幫的移近量為220 mm，巷道頂板下沉量為120 mm，巷道的底鼓量為90 mm，而當(dāng)錨桿的排距小于900 mm 時(shí)，此時(shí)縮小排距，對于巷道整體變形量的作用較小，巷道圍巖的變化量均小于15 mm。當(dāng)錨桿的排距設(shè)置大于900 mm 時(shí)，此時(shí)巷道變形量會(huì)快速增加，巷道的整體性無法得到保證，支護(hù)效果較差。所以在綜合考慮巷道圍巖各位置的圍巖變形因素，確定全長錨固時(shí)，巷道錨桿設(shè)置排距為900 mm 最佳。

根據(jù)上述模擬結(jié)果對巷道支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，在原有支護(hù)方案的基礎(chǔ)上對巖幫及頂板采用Φ20 mm×2 200 mm 的螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿的間排距設(shè)定為900 mm、900 mm，每排8 根，8 根錨桿全部垂直于斷面進(jìn)行布置，同時(shí)采用6 支K23/35 樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，設(shè)定巖幫及頂錨桿的扭矩不低150 N·m。在巷道煤幫支護(hù)選用Φ27 mm×2 200 mm 的玻璃鋼錨桿，錨桿的間排距設(shè)定為900 mm、900 mm，每排4根，錨桿均垂直于巷道斷面布置，同樣采用K23/35 樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，預(yù)緊扭矩大于150 N·m。巷道的頂錨索采用Φ18.9 mm×10 000 mm 礦用錨索，錨索間排距設(shè)定為1 800 mm、1 800 mm，錨索每排布置3 根，同樣采用K23/35 樹脂錨固劑，設(shè)定錨索預(yù)緊力180 kN。完成支護(hù)后對支護(hù)效果進(jìn)行分析，監(jiān)測頂板離層量如圖4 所示。

圖4 不同錨桿排距下巷道圍巖變形曲線

從圖4 可以看出，在距離工作面約85 m 時(shí)，此時(shí)巷道頂板的離層量突然增大，此時(shí)在頂板深度約5～10m 處，頂板離層量從40 mm 增大至45 mm。在距離頂板深度1.5～3 m 的位置，頂板離層量從32 mm 增大至38 mm。而在距離工作面20 m 位置時(shí)，此時(shí)頂板的離層量開始發(fā)生劇烈變化，在頂板深度5～10 m 處及1.5～3 m 處，巷道頂板的離層量最大值分別為110 mm 和70 mm。所以可以看出，工作面超前影響距離約為85m，同時(shí)在超前20 m 范圍內(nèi)，影響較為劇烈。

3 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬軟件對不同錨桿長度下的巷道支護(hù)塑性變形進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)錨桿長度不小于2 200 mm 時(shí)，巷道變形能夠得到較好的控制。

2）利用數(shù)值模擬軟件對不同間距及不同排距下巷道圍巖變形特征進(jìn)行分析，確定最佳的間排距為900 mm、900 mm。

3）根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計(jì)了巷道的支護(hù)方案，經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，巷道頂板變形得到較好的控制，同時(shí)支護(hù)后工作面超前影響距離約為85 m，在超前20 m 范圍內(nèi)，影響較為劇烈。