賀海鴻，馬小輝，程洪濤，李晶昆，張超凡，丁自偉

（1.陜西彬長礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽 712000；2.陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000；3.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054）

隨著礦井向深部開拓延伸，地質(zhì)條件、開采環(huán)境變得越來越復(fù)雜，采掘接續(xù)緊張日漸成為制約礦井穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的突出問題[1]。支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)是巷道支護(hù)中的1 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，合理的支護(hù)參數(shù)能充分發(fā)揮支護(hù)的優(yōu)越性和保證巷道安全。在確保生產(chǎn)安全的前提下優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，可以有效提高掘進(jìn)效率，緩解采掘接續(xù)緊張的局面。

支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)將懸吊理論[2]、彈塑性力學(xué)和數(shù)值模擬技術(shù)[3]等有效結(jié)合起來,通過計(jì)算空頂距離、支護(hù)體參數(shù)等來設(shè)計(jì)并優(yōu)化支護(hù)參數(shù)[4-5]。戴俊等[6]、曹協(xié)等[7]根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)資料，結(jié)合煤礦巷道條件，校驗(yàn)現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)，并對其進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化；錢坤等[8]采用數(shù)值模擬軟件對巷道不同支護(hù)方案條件下的應(yīng)力分布與周邊位移量進(jìn)行了對比分析，確定了最終設(shè)計(jì)支護(hù)方案，并進(jìn)行了現(xiàn)場工程試驗(yàn)；Li 等[9]、米社禮[10]通過現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析和數(shù)值模擬進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。上述對巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化的研究主要是通過對錨桿、巷道圍巖變形[11-12]等進(jìn)行監(jiān)測，采用懸吊理論進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對巷道圍巖變形和支護(hù)方案進(jìn)行模擬等方法，不適用孟村礦等地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重的礦井，需要對以上研究方法進(jìn)行結(jié)合使用。孟村礦瓦斯、沖擊地壓等災(zāi)害嚴(yán)重[13]，影響采掘接續(xù)，且卸壓工程在時(shí)間和空間上存在限制[14]，平均進(jìn)尺為60 m/月，平均月進(jìn)尺水平需要提高到140 m/月才能滿足未來3年的采掘接續(xù)計(jì)劃。

為此，研究針對孟村礦4#煤層地質(zhì)條件，通過對巷道圍巖變形破壞規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以分析結(jié)果為依據(jù)建立空頂力學(xué)模型，對巷道空頂距離進(jìn)行理論計(jì)算，并以合理空頂距為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方案，通過數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證，對比分析原方案與方案Ⅱ的掘進(jìn)用時(shí)和經(jīng)濟(jì)效益，采用方案Ⅱ可以節(jié)省支護(hù)時(shí)間，提高掘進(jìn)效率，增加經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)滿足采掘接續(xù)的目標(biāo)。

1 工程概況

孟村井田位于陜西彬長礦區(qū)中西部，井田東西長10.6 km，南北寬5.87 km，呈近矩形狀，面積60.47 km2。孟村井田主采延安組4#煤層，埋深為660～760 m，平均埋深730 m，單軸抗壓強(qiáng)度23.13 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度1.33 MPa。4#煤層為強(qiáng)沖擊煤層，礦井為嚴(yán)重沖擊地壓礦井。礦井首采區(qū)為401 盤區(qū)，401104 工作面為401 盤區(qū)的第4 個(gè)回采工作面，為全煤巷道。工作面綜合地質(zhì)柱狀圖如圖1。

圖1 401104 工作面綜合地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Comprehensive geological histogram of 401104 working face

該工作面掘進(jìn)期間，共設(shè)計(jì)3 條巷道，分別為回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷和措施巷，巷道寬度5.5 m，高度3.5 m。巷道支護(hù)參數(shù)：①頂部錨桿規(guī)格為?22 mm×2 500 mm，間排距700 mm×700 mm，每排8 根；②頂板錨索采用?21.8 mm×7 100 mm，間排距為1 200 mm×700 mm，5-4-5 布置；③幫部采用錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索選用?21.8 mm×3 500 mm 鋼鉸線，間排距700 mm×700 mm，每排12 根。巷道頂板支護(hù)示意圖如圖2。

圖2 巷道頂板支護(hù)示意圖Fig.2 Roof support diagram of roadway

2 巷道圍巖變形破壞規(guī)律

2.1 數(shù)值模擬方案

巷道圍巖應(yīng)力與巷道原巖應(yīng)力狀態(tài)及其支護(hù)方式密切相關(guān)，為了真實(shí)模擬401104 工作面運(yùn)輸巷道在掘進(jìn)和回采過程中的圍巖變形和應(yīng)力分布情況，以4#煤實(shí)測煤巖物理力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)建立FLAC3D數(shù)值分析模型，對巷道掘進(jìn)及工作面回采階段巷道圍巖應(yīng)力分布特征及圍巖變形破壞特征進(jìn)行模擬[15-16]。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

1）掘進(jìn)期間數(shù)值模擬方案。按照實(shí)際開采情況分別模擬開挖401104 運(yùn)輸巷道、401104 回風(fēng)巷，分析掘進(jìn)過程中運(yùn)輸巷道在原支護(hù)下圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)變化情況。

2）回采期間數(shù)值模擬方案。按照實(shí)際開采情況模擬開挖401104 工作面回采，工作面回采采取單巷掘進(jìn)方式進(jìn)行模擬。

2.2 數(shù)值模擬

2.2.1 掘進(jìn)期間模型

數(shù)值分析模型以401104 工作面運(yùn)輸巷為背景，采用莫爾-庫侖本構(gòu)模型進(jìn)行建立。模型沿走向長500 m，沿傾向?qū)?00 m，高度為100 m。在模型上邊界施加17.25 MPa 的等效垂直應(yīng)力載荷。對于模型計(jì)算邊界條件，首先將模型的四周各邊界各施加水平約束，即四周邊界的水平位移為0；然后再將模型的底部邊界固定，即底部的邊界水平、垂直位移都為0；最后將模型的頂部設(shè)為自由邊界模型。FLAC3D模擬網(wǎng)格圖如圖3。

圖3 FLAC3D 模擬網(wǎng)格Fig.3 FLAC3D simulation grid

2.2.2 掘進(jìn)期間數(shù)值模擬結(jié)果

巷道掘進(jìn)期間原方案支護(hù)主應(yīng)力分布云圖如圖4。巷道掘進(jìn)期間原方案支護(hù)下的圍巖塑性區(qū)分布云如圖5。

圖4 掘進(jìn)期間原方案支護(hù)主應(yīng)力分布云圖Fig.4 Cloud diagrams of principal stress distribution in the original support plan during tunneling

圖5 掘進(jìn)期間原方案支護(hù)塑性區(qū)分布云圖Fig.5 Cloud diagram of plastic zone distribution in the original support plan during tunneling

由圖4 可知：在掘進(jìn)期間巷道頂角和兩幫處都出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤柱應(yīng)力核區(qū)出現(xiàn)在距巷道幫部5 m 處。巷道周圍1 m 范圍內(nèi)圍巖因變形破壞應(yīng)力降低。

由圖5 可知：巷道在原方案支護(hù)條件下圍巖的破壞形式主要以剪切破壞和剪切破壞-拉伸破壞為主。頂板破壞深度為2 m；兩幫破壞深度為1 m。底板最大塑性破壞深度為2 m。

2.2.3 回采期間數(shù)值模擬結(jié)果分析

工作面回采期間原方案支護(hù)主應(yīng)力分布云圖如圖6?；夭善陂g原方案支護(hù)塑性區(qū)分布云圖如圖7。

圖6 回采期間原方案支護(hù)主應(yīng)力分布云圖Fig.6 Cloud diagrams of principal stress distribution in the original support plan during the stoping period

圖7 回采期間原方案支護(hù)塑性區(qū)分布云圖Fig.7 Cloud diagrams of plastic zone distribution in the original support plan during the stoping period

由圖6 可知：整個(gè)支護(hù)范圍內(nèi)的應(yīng)力較掘進(jìn)期間有小幅度升高。

由圖7 可知：受采動(dòng)影響，巷道在回采階段的圍巖塑性區(qū)主要以剪切破壞為主，頂?shù)装迤茐纳疃葹?.5 m，左幫破壞深度為1.5 m，右?guī)推茐纳疃仁芄ぷ髅婊夭傻挠绊?，圍巖破壞深度增大，連接至回采工作面塑性區(qū)附近。

3 巷道合理空頂距留設(shè)

3.1 空頂力學(xué)模型

在煤礦巷道掘進(jìn)過程中，空頂區(qū)的頂板由兩幫及掘進(jìn)工作面煤體支撐，并受到空頂區(qū)后部的錨桿、錨索支護(hù)作用。假設(shè)巷道兩幫、工作面煤體及空頂區(qū)后方錨桿（索）對空頂區(qū)頂板提供了足夠的支撐力，基于假設(shè)和板殼力學(xué)的矩形薄板彎曲理論，構(gòu)建四邊固支的空頂區(qū)頂板的薄板模型。空頂區(qū)頂板力學(xué)模型如圖8[17-18]。設(shè)巷道的寬度為2b、空頂長度為2a、頂板厚度為δ。薄板的應(yīng)力方程和邊界條件分別為：

圖8 空頂區(qū)頂板力學(xué)模型Fig.8 Mechanical model of roof in empty roof area

式中：σx、σy為x、y 方向應(yīng)力；τxy為平面剪應(yīng)力；E 為彈性模量；μ 為泊松比。

采用瑞利-里茲法構(gòu)建滿足薄板所有邊界條件的撓曲線方程：

式中：ω1為板的一階撓度函數(shù)；T 為設(shè)定常數(shù)。

形變勢能公式為：

式中：U 為彈性體勢能；D 為薄板彎曲剛度。

對式（3）中x 與y 分別求二階偏導(dǎo)數(shù)，代入式（4），得：

對式（6）積分并化簡得到設(shè)定常數(shù)T 的表達(dá)式，將式（7）代入式（3）得到撓度ω 的表達(dá)式；

式中：q 為頂板上覆巖層的均布載荷。

將式（3）代入式（1）得到空頂區(qū)頂板應(yīng)力分量：

以頂板薄板為例，板的最大撓度在板中心，即x=0，y=0 處，在實(shí)際情況下，空頂區(qū)受力最大，破壞速度最快、最嚴(yán)重，決定空頂距離的主要因素為薄板中點(diǎn)處位置的拉應(yīng)力，由此得到空頂距離計(jì)算公式，即在薄板模型中x=0，y=0，z=-δ/2 處應(yīng)力σymax為：

3.2 掘進(jìn)空頂距理論

當(dāng)巷道開挖應(yīng)力重新分布后，空頂區(qū)域所受應(yīng)力集中處的最大拉應(yīng)力σymax等于巷道直接頂板的抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂板處于臨界平衡狀態(tài)，在理想條件下不發(fā)生破斷，而此時(shí)的［2a］即為巷道掘進(jìn)過程中留設(shè)的理論最大空頂距離。

孟村礦401104 運(yùn)輸巷上覆巖層所受均布載荷q 為18.25 MPa，測定煤層的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為17.47～23.31 MPa 和0.73～2.10 MPa，平均分別為19.37 MPa 和1.23 MPa，代入式（10），計(jì)算結(jié)果最大空頂距離［2a］理論值為3.14 m。

401104 運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面循環(huán)進(jìn)尺1.4 m，即1個(gè)循環(huán)可以完成2 個(gè)排距（1 個(gè)排距0.7 m）的掘進(jìn)量，按照掘進(jìn)工作面單班掘進(jìn)2 個(gè)循環(huán)1.4 m 為依據(jù)，以1 個(gè)排距0.7 m 為公差，根據(jù)礦井主采煤層賦存條件及其他類似地質(zhì)條件下的巷道最大空頂距離留設(shè)經(jīng)驗(yàn)，提出1.4、2.1、2.8、3.5、4.2、4.9 m 6 種不同空頂距方案。

按照現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)掘進(jìn)，即掘進(jìn)2 排錨桿排距的距離1.4 m 為1 個(gè)循環(huán)，頂板最大應(yīng)力為0.06 MPa，遠(yuǎn)小于頂板最小抗拉強(qiáng)度0.73 MPa；當(dāng)按照空頂2.8 m 掘進(jìn)時(shí)，即掘進(jìn)4 排左右錨桿排距的距離2.8 m 為1 個(gè)循環(huán)，頂板最大應(yīng)力為0.82 MPa，大于頂板最小抗拉強(qiáng)度，此時(shí)受到掘進(jìn)影響而發(fā)生危險(xiǎn)的可能性較??；當(dāng)空頂距離設(shè)置為3.5 m 時(shí)，即掘進(jìn)5 排錨桿排距的距離3.5 m 為1 個(gè)循環(huán)，頂板最大應(yīng)力為1.74 MPa，已經(jīng)大于頂板的平均抗拉強(qiáng)度，此時(shí)可能受到掘進(jìn)影響而發(fā)生危險(xiǎn)；當(dāng)空頂距離設(shè)置為4.2 m 時(shí)，即掘進(jìn)6 排錨桿排距的距離4.2 m為1 個(gè)循環(huán)，頂板最大應(yīng)力為3.01 MPa，已經(jīng)遠(yuǎn)大于頂板的最大抗拉強(qiáng)度，此時(shí)頂板穩(wěn)定性較差，極易產(chǎn)生局部掉落或大范圍破斷，危險(xiǎn)程度大大增加。綜合理論計(jì)算結(jié)果和掘進(jìn)施工組織以及孟村礦實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件、人員配備、設(shè)備情況，安全系數(shù)取1.5，計(jì)算出空頂距為2 m。

4 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方案

4.1 支護(hù)參數(shù)校驗(yàn)

4.1.1 頂錨桿長度

按單體錨桿懸吊作用計(jì)算錨桿長度[19]，應(yīng)滿足：

式中：Lg為錨桿總長度，m；Lg1為錨桿外露長度，取0.063 m；Lg2為有效長度，m；Lg3為錨入煤層內(nèi)深度，取0.76 m。

加固拱[20]厚度、錨桿長度與錨桿間排距有以下近似關(guān)系：

式中：m 為加固拱厚度，一般取0.8～1.2 m，這里取最小值0.8 m；α 為錨桿的控制角，煤體的硬度越大，控制角也越大，一般取30°～45°；αg1為錨桿的間距，取0.7 m。

經(jīng)計(jì)算：

所選頂板錨桿為2.5 m＞2.323 m，可以滿足需要。

4.1.2 頂錨桿間排距

按單體錨桿懸吊質(zhì)量校核錨桿的間排距，每根錨桿懸吊巖體質(zhì)量M：

錨固力Q 應(yīng)能承擔(dān)M 的質(zhì)量：

聯(lián)合式（13）、式（14），得：

式中：Q 為錨桿的承載力，取100 kN；ρ 為頂板巖層平均密度，取1.333 t/m3；ag為錨桿間排距，通常間距與排距相同；K1為安全系數(shù)，一般取1.5～1.8，這里取1.8。

頂錨桿間排距ag：

實(shí)際頂錨間排距為700 mm×700 mm，滿足要求。

4.1.3 頂錨桿直徑

假設(shè)錨桿錨固力與錨桿破斷力相同，則錨桿直徑d 按下式驗(yàn)算：

式中：σ 為錨桿桿體材料抗拉強(qiáng)度。

經(jīng)計(jì)算：

所選錨桿直徑均大于20 mm，滿足要求。

4.1.4 頂錨索長度

頂錨索長度Lr為：

式中：Lr為頂錨索總長度，m；Lr1為錨索外露頂板長度，取0.25 m；Lr2為頂錨索的有效長度，不小于自然平衡拱的高度，m；Lr3為頂錨索的錨固長度，取2.5 m。

自然平衡拱[21]高度B：

式中：B 為自然平衡拱高度，m；2b 為巷道掘進(jìn)寬度，取5.5 m；H 為巷道掘進(jìn)高度，取3.5 m；φ0為兩幫煤的內(nèi)摩擦角，取35.84°；fr為普氏硬度系數(shù)，取1.48。

經(jīng)計(jì)算：Lr2≥B=2.96 m

所選錨索長度7 100 mm 符合要求。

4.1.5 頂錨索間排距

頂錨索的排距ar2按下式計(jì)算：

式中：ar2為頂錨索的排距，m；Nr為頂錨索極限承載力（以最小錨固力計(jì)算），取200 kN（錨索預(yù)緊力）；ar1為頂錨索的間距，取1.2 m；K2為安全系數(shù)，一般取2～5，取3；B 為自然平衡拱高度，2.96 m。

所選錨索間排距1 200 mm×700 mm 符合要求。

4.1.6 幫錨索長度

幫錨索通過加固幫體作用，要達(dá)到支護(hù)效果，其長度Ls應(yīng)滿足：

式中：Ls為幫錨索總長度，m；Ls1為幫錨索外露長度（托盤厚度+M 鋼帶厚度+鎖具厚度+錨索實(shí)際外露長度）；短錨索取0.016+0.014+0.07+0.25=0.35 m；Ls2為幫錨索有效長度（幫錨索取煤幫破碎深度c），m；Ls3為錨入煤層內(nèi)深度（頂錨桿取0.3 m，頂錨索取0.6 m，短錨索取0.3 m），m。

破碎深度c 為：

經(jīng)計(jì)算：c=1 319 mm

所選幫錨索長度3 500 mm 符合要求。

4.1.7 幫錨索間排距

幫錨索的排距as2按下式計(jì)算：

式中：as2為幫錨索的排距，m；Ns為幫錨索極限承載力（以最小錨固力計(jì)算），取200 kN（錨索預(yù)緊力）；as1為幫錨索的間距，取0.7 m。

所選錨索間排距700 mm×700 mm 符合要求。

4.2 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方案

孟村礦巷道寬度5.5 m，高度3.5 m，全煤層中掘進(jìn)，煤厚24.5 m。在保證巷道安全的情況下，減少巷道支護(hù)參數(shù)，對此提出2 種優(yōu)化方案。

4.2.1 支護(hù)優(yōu)化方案Ⅰ

頂板錨桿桿體材料采用左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，規(guī)格為：MSGLW-500/22×2500，間排距700 mm×700 mm，每排8 根；錨索采用延展率大于5%的1×19 股-1860 級預(yù)應(yīng)力錨索，頂部錨索規(guī)格均為?21.8 mm×7 100 mm，間排距1 200 mm×700 mm，每排5 根采用“五五”布置；幫部錨索采用?21.8 mm×3 500 mm 短錨索，第3、第4 根錨索間距800 mm，其余錨索間距900 mm，排距700 mm，每排10 根。方案Ⅰ永久支護(hù)示意圖如圖9。

圖9 永久支護(hù)方案ⅠFig.9 Permanent support schemeⅠ

在方案Ⅰ中，頂板錨索由原來的“5-4-5”布置改為每排5 根采用“5-5”布置，并對幫錨索的間排距進(jìn)行了優(yōu)化，其他不變。對幫錨索的間排距進(jìn)行校驗(yàn)。

所選錨索間排距900 mm×700 mm 符合要求。

4.2.2 支護(hù)優(yōu)化方案Ⅱ

對方案Ⅰ的頂板錨桿索間排距進(jìn)行優(yōu)化，錨桿索的材料和規(guī)格都不變，錨桿間排距更改為1 000×1 000 mm，每排6 根；錨索間排距更改為1 200 mm×1 000 mm，每排5 根，布置方式不變。幫部支護(hù)原采用方案Ⅰ進(jìn)行支護(hù)。方案Ⅱ永久支護(hù)示意如圖10。

圖10 永久支護(hù)方案ⅡFig.10 Permanent support scheme Ⅱ

方案Ⅱ根據(jù)之前對空頂距的理論計(jì)算結(jié)果對頂部錨桿間排距進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)之前頂錨桿間排距的計(jì)算結(jié)果ag＜1.67 m 得出間排距1 000 mm×1 000 mm 是合理的。

錨桿長度校驗(yàn)：

所選頂板錨桿為2.5 m＜2.623 m，不能滿足需要。

根據(jù)式（11）和Lg=2.5 m 得：

則根據(jù)式（12）得：

式中：αg1≤0.877 m。

因此，間排距取800 mm×1 000 mm。

優(yōu)化后的方案Ⅱ：由原方案Ⅱ頂板錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm 更改為800 mm×1 000 mm，其他按照原方案Ⅱ進(jìn)行支護(hù)。

5 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方案數(shù)值模擬驗(yàn)證

5.1 巷道掘進(jìn)期間數(shù)值模擬

5.1.1 巷道掘進(jìn)期間方案Ⅰ數(shù)值模擬結(jié)果

巷道掘進(jìn)期間方案Ⅰ主應(yīng)力云圖如圖11，工作面受回采影響階段的圍巖塑性區(qū)分布云圖如圖12。

由圖11 可知：將頂板錨索布置方式以及幫部錨索間排距改變后，在巷道頂角處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂板應(yīng)力降低范圍與原支護(hù)方案基本相同，兩幫因?yàn)殄^索間距沒變，巷道斷面上的主應(yīng)力分布情況與原方案一致。

圖11 掘進(jìn)期間方案Ⅰ主應(yīng)力云圖Fig.11 Cloud diagrams of principal stress of schemeⅠduring tunneling

由圖12 可知：巷道采用支護(hù)方案Ⅰ后回采階段的圍巖塑性區(qū)分主要以剪切破壞為主，頂?shù)装寮皟蓭推茐纳疃扰c原方案一致。

圖12 掘進(jìn)期間方案Ⅰ塑性區(qū)云圖Fig.12 Cloud diagram of plastic zone of scheme Ⅰduring tunneling

5.1.2 巷道掘進(jìn)期間方案Ⅱ數(shù)值模擬結(jié)果

巷道掘進(jìn)期間優(yōu)化方案Ⅱ支護(hù)主應(yīng)力分布如圖13。掘進(jìn)期間方案Ⅱ塑性區(qū)云圖如圖14。

圖13 掘進(jìn)期間方案Ⅱ主應(yīng)力云圖Fig.13 Cloud diagrams of principal stress of scheme Ⅱduring tunneling

圖14 掘進(jìn)期間方案Ⅱ塑性區(qū)云圖Fig.14 Cloud diagram of plastic zone of scheme Ⅱduring tunneling

由圖13 可知：頂板錨桿、索間排距及布置方式改變后，巷道破壞范圍和破壞深度與最大主應(yīng)力云圖中變化一致，頂板應(yīng)力降低范圍與原支護(hù)方案基本相同。

由圖14 可知：掘進(jìn)期間巷道破壞形式主要以剪切破壞和剪切破壞-拉伸破壞為主，頂?shù)装寮皟蓭推茐纳疃扰c原方案一致，支護(hù)效果相差不大。

5.2 巷道回采期間數(shù)值模擬

5.2.1 巷道回采期間方案Ⅰ數(shù)值模擬結(jié)果

工作面回采期間方案Ⅰ支護(hù)主應(yīng)力分布如圖15?；夭善陂g方案Ⅰ塑性區(qū)云圖如圖16。

圖15 回采期間方案Ⅰ主應(yīng)力云圖Fig.15 Cloud diagrams of principal stress of scheme Ⅰduring the stoping period

圖16 回采期間方案Ⅰ塑性區(qū)云圖Fig.16 Cloud diagram of plastic zone of schemeⅠduring the stoping period

由圖15 可知：在回采期間巷道整個(gè)支護(hù)方案效果與原支護(hù)方案差別不大，但由于幫部錨索數(shù)量減少，巷道掘進(jìn)效率提升。

由圖16 可知：受采動(dòng)影響，巷道在回采階段的圍巖塑性區(qū)分布主要以剪切破壞為主，頂板破壞深度為3 m，由于頂錨索由“5-4-5”布置變?yōu)椤?-5”布置后，頂板支護(hù)力度變大，相比于原支護(hù)方可以明顯看出頂板的塑性區(qū)變小。底板及幫部破壞深度與原方案一致，支護(hù)效果與原支護(hù)差別不大。

5.2.2 巷道回采期間方案Ⅱ數(shù)值模擬結(jié)果

工作面回采期間方案Ⅱ支護(hù)主應(yīng)力分布如圖17。工作面采用支護(hù)方案Ⅱ時(shí)受回采影響階段的圍巖塑性區(qū)分布如圖18。

圖17 回采期間方案Ⅱ主應(yīng)力云圖Fig.17 Cloud diagrams of principal stress of scheme Ⅱduring the stoping period

圖18 回采期間方案Ⅱ塑性區(qū)云圖Fig.18 Cloud diagram of plastic zone of scheme Ⅱduring the stoping period

由圖17 可知：在回采期間整個(gè)支護(hù)范圍內(nèi)的應(yīng)力相比于方案Ⅰ有所減少。

由圖18 可知：由于頂錨桿及頂錨索排距變大，頂板支護(hù)力度較方案Ⅰ變小，相比于方案Ⅰ方可以明顯看出頂板的塑性區(qū)變大。頂?shù)装寮皟蓭推茐纳疃扰c方案Ⅰ一致，支護(hù)效果相差不大。由此說明幫部支護(hù)效果與原支護(hù)和方案Ⅰ基本相同，但由于頂板錨桿和幫部錨索數(shù)量減少，支護(hù)時(shí)間縮短，巷道掘進(jìn)效率提升。

6 工業(yè)性試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，巷道錨桿索支護(hù)耗時(shí)見表2，經(jīng)濟(jì)效益對比見表3。

表2 巷道支護(hù)單位材料用時(shí)Table 2 Roadway support of unit material time

表3 經(jīng)濟(jì)效益對比Table 3 Comparison of economic benefits

對比分析2 種方案，方案Ⅱ百米巷道掘進(jìn)用時(shí)將由原來的865.62 h 降至562.92 h；百米巷道支護(hù)耗材頂錨桿索分別從原來的1 142.88 根和642.87根減少至700 根和450 根，幫錨索從原來的1 714.32根減少至1 000 根。

7 結(jié) 語

1）巷道掘進(jìn)期間，巷道圍巖變形量相對較小，巷道兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中，破壞形式主要以剪切破壞和剪切-拉伸破壞為主，頂?shù)装迤茐纳疃葹? m，兩幫破壞深度為1 m。

2）以彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)，建立了空頂距計(jì)算模型，并以孟村礦4#煤層實(shí)際工程地質(zhì)條件以及煤層及其頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)計(jì)算得出巷道掘進(jìn)最大循環(huán)進(jìn)尺為3.14 m，提出常規(guī)無動(dòng)力擾動(dòng)及頂板破碎、構(gòu)造等特殊條件下按照2 m 空頂距離掘進(jìn)，在保證作業(yè)安全的基礎(chǔ)上，有效緩解礦井采掘接續(xù)緊張局面，月進(jìn)尺水平提高3.8 倍。

3）根據(jù)空頂距留設(shè)提出支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方案，優(yōu)化后掘進(jìn)每循環(huán)進(jìn)尺由1.4 m 增加至2 m，每日5個(gè)循環(huán)，日進(jìn)尺達(dá)10 m，以最小每月生產(chǎn)天數(shù)23 d計(jì)算，月進(jìn)尺可達(dá)230 m，掘進(jìn)效率顯著提升。

4）采用方案Ⅱ進(jìn)行巷道掘進(jìn)支護(hù)，月進(jìn)尺將由原來的60 m 提升至230 m；百米巷道掘進(jìn)用時(shí)和百米巷道支護(hù)耗材相較于原方案顯著提高。