徐寶軍

（陜煤集團神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西榆林 719300）

0 引言

我國西北廣泛賦存著淺埋煤田，是21 世紀經(jīng)濟發(fā)展的能源基礎(chǔ)[1]。我國煤礦的開采方式主要以井下巷道工程為主，巷道的穩(wěn)定及通暢是安全生產(chǎn)的必要條件[2]。掘進工作面作為煤礦生產(chǎn)的重要區(qū)域在生產(chǎn)作業(yè)中的安全問題更加需要關(guān)注。但保障巷道安全暢通導(dǎo)致支護成本增加。因此在安全開采的前提下優(yōu)化開拓巷道的掘進方式及支護設(shè)計，降低巷道延米費用的研究至關(guān)重要。郭東明[3]等結(jié)合FLAC 數(shù)值分析方法與非對稱性耦合支護理論，分析巷道圍巖破壞機理并提出大傾角極軟厚煤層的支護優(yōu)化方案。王智欣、李曉輝[4-5]等以實際工程為研究對象，結(jié)合數(shù)值模擬等方法，對相關(guān)工程的巷道支護布置等進行優(yōu)化研究。

煤礦3-1 煤開拓巷道正在掘進，具有支護成本過高等問題。因此，研究采用現(xiàn)場實測、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對煤礦3-1 煤開拓巷道進行支護優(yōu)化，符合礦區(qū)大成本體系建設(shè)要求，確保安全的同時降低巷道延米費用，為以后同類型的煤礦生產(chǎn)提供有效的技術(shù)支持。

1 開拓巷道圍巖松動圈規(guī)律實測及塑性區(qū)研究

研究使用三維數(shù)字鉆孔成像系統(tǒng)作為圍巖松動圈監(jiān)測儀器，設(shè)置斷面對3-1 煤開拓巷道的不同階段進行三維數(shù)字鉆孔成像。分析開拓巷道數(shù)字鉆孔內(nèi)圍巖裂隙發(fā)育及破碎情況。鉆孔監(jiān)測結(jié)果及圍巖演化規(guī)律見表1，頂板松動圈范圍1.5 m 左右，兩幫松動圈厚0.7 m 左右。由于沒有采動的影響，松動圈基本穩(wěn)定?？紤]到3-1 煤開拓巷泥巖偽頂?shù)馁x存條件，為了保證盤區(qū)巷道的長期安全實用，3-1 煤開拓巷道具有一定的優(yōu)化空間，但需調(diào)整掘進方式。

表1 開拓巷道圍巖松動圈范圍

2 開拓巷道掘進方案優(yōu)化研究

由于北二盤區(qū)3-1 煤頂板賦存泥巖偽頂，則綜合考慮以下兩種掘進優(yōu)化方式：①不留頂煤，沿底板掘進，掘煤層（2.7 m）+偽頂（0.7 m）；②留頂煤300 mm，拉底1000 mm，掘煤2400 mm。為了使優(yōu)化設(shè)計更符合實際，故采用布設(shè)試驗段的方式對兩種方法分別進行驗證。經(jīng)過多次現(xiàn)場調(diào)研，建議3-1 煤開拓巷道采掘設(shè)備由30M4-NP 型連續(xù)采煤機更換為MB670 型掘錨機，并配合采用“留頂煤、沿底掘”的掘進方案。設(shè)置實驗段后發(fā)現(xiàn)該掘進方案及相應(yīng)支護方案設(shè)計滿足開拓巷道長久運營的要求。

3 開拓巷道支護參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

（1）原有支護形式。原設(shè)計采用工程類比法設(shè)計，巷道頂板錨桿規(guī)格為Φ20×2600 mm，間排距1100 mm×1000 mm，其中每排5 根并施加100 kN 預(yù)緊力。頂板錨索規(guī)格采用Φ17.8×7300 mm，每排兩根。而幫部錨桿規(guī)格Φ18×1800mm，間排距1200 mm×1000 mm，每幫3 根。

（2）考慮松動圈演化的“自然平衡拱理論”支護優(yōu)化?？紤]松動圈演化[6]的自然平衡拱設(shè)計理論是在自然平衡拱理論的基礎(chǔ)上提出的。理論假定巷道高度范圍為巖層厚度，巖層以上為巖層。對上覆巖層的作用力進行分類，更加合理的對巷道圍巖支護參數(shù)進行設(shè)計。以巷道掘進期間時上覆巖層壓力變化規(guī)律來分析并進行3-1 煤開拓巷道支護參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)理論計算，優(yōu)化后的3-1 煤層巷道支護方式如圖1 所示。

圖1 掘進方式優(yōu)化后3-1 煤層巷道優(yōu)化后斷面布置

由于巷道掘進方式優(yōu)化，斷面尺寸5200 mm×3400 mm 變更為5600 mm×3250 mm。根據(jù)理論計算，優(yōu)化后的具體參數(shù)為巷頂板錨桿間排距由1100 mm×1000 mm 優(yōu)化為1000 mm×1200 mm，頂部最外側(cè)錨桿距幫300 mm，每排6 根。頂板錨索間排距由2000 mm×2000 mm 每排兩根優(yōu)化為2000 mm×2400 mm，“一二一”（三花眼）布置。兩幫錨桿間排距由1500 mm×1000 mm 優(yōu)化為1500 mm×1200 mm，每幫為2 根錨桿。網(wǎng)片為直徑6 mm 圓鋼，網(wǎng)格80 mm×80 mm。并且由于盤區(qū)大巷為永久大巷，且頂板富水，為了保證大巷的長期安全實用，達到本質(zhì)安全，錨桿索及金屬網(wǎng)均采用新型防腐產(chǎn)品，鋼筋梯字梁換為T 形140 鋼帶，托盤使用新型礦用FRD 鋼托。

4 支護參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬

（1）模型建立。為了驗證理論設(shè)計方案的可行性，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D 進行驗算。在考慮圣維南原理情況下，建立3-1煤開拓巷道優(yōu)化支護方案模型，模型尺寸為160 m×84 m×155 m，含實體單元136 080 個、實體單元節(jié)點144 485 個。在初始應(yīng)力平衡后開挖巷道，按照優(yōu)化后的支護參數(shù)施加頂幫錨桿索，錨桿索選用cable 表示。

（2）計算結(jié)果分析。圖2 為巷道圍巖的最大主應(yīng)力分布云圖，從主應(yīng)力云圖的分布特點來看，整體趨勢正在向“蝶形”分布發(fā)展，但尚未形成“蝶形”分布，符合埋深大于100 m 且小于300 m 的煤層實際工況。頂板所受應(yīng)力分布范圍廣，主要集中于巷道頂板中央處，但在優(yōu)化后支護體系的作用下，頂板處最大主應(yīng)力約為0.5 MPa。兩肩角及兩底角為應(yīng)力集中處，即最大主應(yīng)力試圖使方形巷道向拱形發(fā)展，但在支護體系作用保護下，這種趨勢并不強烈，所以支護方案中靠近肩角布置的錨桿合理且必要。在優(yōu)化后支護體系保護下，巷道周圍最大主應(yīng)力遠低于支護體系的承載能力，即使在施工機械擾動等各種作用下，該巷道仍然可靠。

圖2 3-1 煤層巷道圍巖最大主應(yīng)力分布云圖

圖3 為巷道圍巖最大變形量分布云圖，巷道開挖后圍巖最大變形量主要出現(xiàn)在巷道頂板及底部。由于開挖作用影響，巷道周邊及上覆地層出現(xiàn)整體變形，最大變形出現(xiàn)在巷道頂板及底部而最大變形量約3.7 mm，周邊巖層最大變形僅為0.5 mm。更遠處的圍巖則完全未受擾動，巷道整體穩(wěn)定性高。主要是因為施工隊使用“沿底掘，留頂煤”的施工工藝，相較放偽頂?shù)氖┕し绞?，預(yù)留給施工隊噴漿的時間更加充裕，更符合煤礦的生產(chǎn)作業(yè)模式，故優(yōu)化后的支護方式和施工方式是合理的。

圖3 3-1 煤層巷道圍巖最大變形量分布云圖

5 現(xiàn)場工業(yè)性試驗研究

以3-1 煤開拓巷道為優(yōu)化對象，區(qū)段采用基于圍巖松動圈理論的支護優(yōu)化參數(shù)。針對巷道的圍巖變形情況，在布置頂板位移監(jiān)測孔的基礎(chǔ)上，通過使用收斂儀對開拓巷道的頂板及兩幫變形進行量化監(jiān)測，分析其變形規(guī)律與位移特點；通過錨桿索受力監(jiān)測對開拓巷道的錨桿錨索進行應(yīng)力監(jiān)測，分析掘進時其應(yīng)力變化情況；通過鉆孔應(yīng)力計對開拓巷道的煤柱進行應(yīng)力監(jiān)測，分析煤柱壓力變化的情況。對巷道圍巖監(jiān)測點進行現(xiàn)場持續(xù)觀測，選取兩個斷面位置進行監(jiān)測研究（表2）。其兩幫收斂最大值為4.83 mm，頂板下沉量最大值為5.76 mm；頂板中間錨桿出現(xiàn)最大受力變化量為2.3 MPa，幫部煤柱最大壓力變化量為1.28 MPa；均處在安全許可范圍內(nèi)，開拓巷道圍巖基本穩(wěn)定。說明優(yōu)化后的支護方案是合理的。

表2 開拓巷道現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

6 結(jié)束語

通過現(xiàn)場實測得3-1 開拓巷道頂煤厚度0.3 m 左右。由于不受采動的影響，頂板松動圈基本穩(wěn)定。頂板松動圈范圍在1.5～1.8 m。兩幫松動圈范圍約0.35 m；由于該巷道煤頂板賦存泥巖偽頂，通過分析確定其掘進優(yōu)化方案；通過分析確定3-1 煤開拓巷道優(yōu)化后的支護設(shè)計；通過FLAC3D 有限差分軟件對該巷道錨桿索支護優(yōu)化進行評價。通過數(shù)值計算求解出巷道在支護優(yōu)化后的圍巖應(yīng)力、變形等巷道穩(wěn)定性評價指標，有效地證明支護優(yōu)化方案的合理性；通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗表明：3-1 煤開拓巷道圍巖基本穩(wěn)定。說明優(yōu)化后的支護方式是合理的，增加煤礦的經(jīng)濟效應(yīng)，符合礦區(qū)大成本體系建設(shè)要求，確保安全的同時降低巷道延米費用。