常宇晨

（長(zhǎng)治市煤炭安全糾察支隊(duì)，山西 長(zhǎng)治 046011）

引言

煤礦生產(chǎn)的安全性在很大程度上決定于工作面巷道圍巖的控制效果。目前，煤礦綜采工作面以錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式為主，該種支護(hù)方式與傳統(tǒng)棚式支架支護(hù)相比具有支護(hù)效果好、支護(hù)成本低、作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢(shì)[1]。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了兼顧對(duì)圍巖的控制效果和支護(hù)成本，需要結(jié)合工作面地質(zhì)、煤層條件對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在安全生產(chǎn)的同時(shí)，達(dá)到快速掘進(jìn)、開(kāi)采的效果。本文將重點(diǎn)對(duì)回采巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)對(duì)應(yīng)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 B12煤層概況

烏東煤礦的年生產(chǎn)能力核定為6 Mt，本文以該煤礦的B12煤層的開(kāi)采任務(wù)為例開(kāi)展研究。B12煤層的最大厚度為39.45 m、最小厚度為31.83 m，該工作面煤層的平均厚度為37.45 m。同時(shí)，該工作面煤層的平均傾角為45°，屬于急傾斜厚煤層工作面。為保證后續(xù)支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化效果滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，對(duì)B12煤層所屬工作面的巖層和煤層的力學(xué)性能，如表1所示。

表1 B12工作面煤層、巖層力學(xué)性能

B12煤層的普氏硬度為1.4，屬于軟煤的序列。目前，B12煤層所屬工作面的支護(hù)參數(shù)如下：錨桿型號(hào)為HBR335，錨桿直徑為20 mm、長(zhǎng)度為2 500 mm，間距為800 mm、排距為800 mm。錨索直徑為18.9 mm、長(zhǎng)度為10 000 mm，錨索間距為1 500 mm、排距為1 600 mm，每排錨索的數(shù)量為3根。

通過(guò)對(duì)B12煤層所屬工作面錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)應(yīng)的圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)可知，當(dāng)前支護(hù)參數(shù)下B12煤層所屬工作面的穩(wěn)定性屬于四類(lèi)，即為不穩(wěn)定狀態(tài)巷道[2]。因此，需對(duì)當(dāng)前巷道所采用的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 回采巷道錨桿支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化確定

本文將采用FLAC3D軟件對(duì)當(dāng)前錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先根據(jù)烏東煤礦地質(zhì)、煤層條件建立數(shù)值計(jì)算模型，模型的具體尺寸長(zhǎng)度為35 m、寬度為5 m、高度為45 m，數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算模型

基于數(shù)值模擬計(jì)算模型將煤層、巖層的參數(shù)在模型中進(jìn)行設(shè)置。模型設(shè)置的單元數(shù)為1 956 500個(gè)，設(shè)置的節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 026 944個(gè)。邊界條件設(shè)置如下：模型底部為固定邊界，模型頂板為自由邊界。根據(jù)所建立的數(shù)值模擬計(jì)算模型，分別對(duì)錨桿長(zhǎng)度、錨桿間距、錨桿排距和錨桿數(shù)量等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 錨桿長(zhǎng)度

錨桿長(zhǎng)度為關(guān)鍵參數(shù)，該參數(shù)直接決定支護(hù)區(qū)域內(nèi)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可知，所配套錨桿長(zhǎng)度不得小于其適用工作面圍巖的松動(dòng)圈尺寸。該工作面圍巖松動(dòng)圈尺寸為1 912m。本小節(jié)將對(duì)錨桿長(zhǎng)度為1 900 mm、2 200 mm、2 500 mm和2 800 mm對(duì)應(yīng)的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比。其余參數(shù)錨桿直徑為20 mm，間排距為800 mm、800 mm。在上述四種錨桿長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)巷道的變形進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同錨桿長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)巷道的變形量對(duì)比

如圖2所示，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，對(duì)應(yīng)工作面巖幫位移量、煤幫位移量、頂板下沉量和底鼓量均下降；其中，對(duì)底鼓量的影響不大。不同的是，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加對(duì)應(yīng)位移量減小趨勢(shì)減緩，即當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增大到一定程度后，該參數(shù)對(duì)圍巖的控制效果影響不大。

綜上分析，考慮到支護(hù)效率，最終確定錨桿長(zhǎng)度為2 500 mm，對(duì)應(yīng)的錨固長(zhǎng)度為1 400 mm。

2.2 錨桿間距

錨桿間距是僅次于錨桿長(zhǎng)度參數(shù)對(duì)影響圍巖穩(wěn)定性的參數(shù)[4]。當(dāng)錨桿間距過(guò)小時(shí)，對(duì)應(yīng)支護(hù)成本增加，支護(hù)效率降低；當(dāng)錨桿間距過(guò)大時(shí)，容易導(dǎo)致達(dá)不到支護(hù)效果。本小節(jié)對(duì)錨桿間距為750 mm、800 mm、850 mm、900 mm和1 000 mm對(duì)應(yīng)巷道的變形量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同錨桿間距對(duì)應(yīng)巷道的變形量對(duì)比

如圖3所示，隨著錨桿間距的增加，對(duì)應(yīng)工作面巖幫位移量、煤幫位移量、頂板下沉量增加，而底鼓量減小增加；其中，對(duì)巖幫位移量的影響不大。不同的是，隨著錨桿間距的減小對(duì)應(yīng)位移量減小趨勢(shì)減緩，即當(dāng)錨桿間距減小到一定程度后，該參數(shù)對(duì)圍巖的控制效果影響不大。

綜上，最終確定錨桿間距為800 mm，對(duì)應(yīng)每排錨桿的數(shù)量為14根。

2.3 錨桿排距

錨桿排距同樣是影響支護(hù)效果的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)錨桿排距過(guò)小時(shí)，對(duì)應(yīng)支護(hù)成本增加，支護(hù)效率降低；當(dāng)錨桿排距過(guò)大時(shí)，容易導(dǎo)致達(dá)不到支護(hù)效果。本小節(jié)對(duì)錨桿排距為700 mm、800 mm、900 mm和1 000 mm對(duì)應(yīng)巷道的變形量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同錨桿排距對(duì)應(yīng)巷道的變形量對(duì)比

如圖4所示，隨著錨桿排距的增加，對(duì)應(yīng)工作面巖幫位移量、煤幫位移量、頂板下沉量增加，而底鼓量減小增加；其中，對(duì)巖幫位移量的影響不大。不同的是，隨著錨桿排距的減小對(duì)應(yīng)位移量減小趨勢(shì)減緩，即當(dāng)錨桿排距減小到一定程度后，該參數(shù)對(duì)圍巖的控制效果影響不大。

綜上，最終確定錨桿排距為800 mm。

通過(guò)仿真分析，優(yōu)化后錨桿支護(hù)參數(shù)與支護(hù)參數(shù)一致。因此，為從根本上解決原支護(hù)參數(shù)對(duì)應(yīng)工作面圍巖不穩(wěn)定的情況，還需對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

3 支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化

根據(jù)工作面的實(shí)際情況，具體提出如下三種支護(hù)方案，具體闡述如下。

優(yōu)化方案一：將原來(lái)的加長(zhǎng)錨固方式改進(jìn)為端頭錨固方式；

優(yōu)化方案二：在原來(lái)加長(zhǎng)錨固方式的基礎(chǔ)上增加全長(zhǎng)錨固的支護(hù)方式；

優(yōu)化方案三：將原來(lái)的加長(zhǎng)錨固方式改進(jìn)為全長(zhǎng)錨固方式[5]；

不同錨固方式對(duì)應(yīng)工作面頂板下沉量、底板底鼓量、巖幫位移量和煤幫位移量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 不同錨固方式對(duì)應(yīng)支護(hù)效果 mm

如表2所示，采用全長(zhǎng)錨固方式頂板下沉量、巖幫位移量較其他支護(hù)方式具有明顯的改善效果。因此，將原加長(zhǎng)錨固方式改進(jìn)為全長(zhǎng)錨固方式。

4 結(jié)語(yǔ)

一直以來(lái)，綜采工作面所采用的支護(hù)方式對(duì)工作面圍巖的控制效果以及工作面生產(chǎn)效率和安全性具有重要意義。為了兼顧支護(hù)效果和支護(hù)效率、工作量等參數(shù)，需結(jié)合煤礦地質(zhì)、煤層以及巖層等條件對(duì)錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化。本文針對(duì)B12煤層所屬工作面錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，重點(diǎn)通過(guò)將加長(zhǎng)錨固方式改進(jìn)為全長(zhǎng)錨固方式，解決了原支護(hù)參數(shù)對(duì)應(yīng)圍巖狀態(tài)不穩(wěn)定的情況。