高子健

（潞安化工集團王莊煤礦， 山西 長治 046000）

0 引言

近幾年，由于我國科技不斷進步，掘進設備持續(xù)發(fā)展，掘進速度不斷持續(xù)提升，很大程度上縮短了工作面進行投產(chǎn)所使用的時間。工作面推進速度加快造成了煤層應力和工作面頂板環(huán)境變化，原支護不能使巷道快速掘進的所有需求得到滿足，基于此，按照頂?shù)装鍘r性的改變來優(yōu)化調整支護參數(shù)，以潞安化工集團某礦S1301 工作面為研究背景，經(jīng)過優(yōu)化原支護方案，提出適合于該回風巷掘進支護方案。

1 S1301 工作面概況

S1301 工作面位置是在3 號煤層中，且煤層的厚度、煤層厚度的平均值、煤層傾角、局部傾角、煤層埋深、垂直應力分別是3.35～10.25 m、6.32 m、3°～22°、≥15°、606.7～667.2 m、17.1 MPa，其頂?shù)装逅哂械膸r性較軟，表1 為該工作面頂?shù)装鍘r性。

表1 S1301 工作面頂?shù)装鍘r性

2 分析目前工作面支護的狀況

2.1 分析目前支護參數(shù)的狀況

該工作面的回風巷的斷面是矩形的，其寬和高分別是4 000 mm、3 200 mm，是順著煤層頂板進行掘進的。

1）用錨索和錨桿聯(lián)合對巷道頂板進行支護，所使用的錨桿是無縱筋螺旋的、左旋的錨桿，規(guī)格是D22 mm×2 000 mm，相鄰排之間的距離是1 000 mm、1 500 mm，進行錨固的是樹脂藥卷，且是兩只；所使用的錨索規(guī)格是D18.9 mm×7 300 mm，相鄰排之間的距離是1 000 mm、1 500 mm[1]。

2）左旋無縱筋螺旋錨桿對巷道兩幫進行支護，錨桿的規(guī)格是D18 mm×1 800 mm，相鄰排之間的距離是1 000 mm、1 500 mm，圖1 為回風巷支護布置示意圖。

圖1 回風巷支護布置示意圖（單位：mm）

2.2 分析原支護方案的成效

控制巷道圍巖變形發(fā)生是原支護方案無法實現(xiàn)的，當進行掘進操作時，常常會有兩幫變形、頂板裂紋出現(xiàn)。由于要保證巷道掘進能夠很好的實施，需要監(jiān)測巷道圍巖所發(fā)生的變形，表2 為S1301 工作面巷道圍巖變形量。原支護方案是有限的支護，導致有突出的巷道圍巖變形，尤其是巷道兩幫，就會影響巷道的掘進，所以，要優(yōu)化設計其原支護方案。

表2 S1301 工作面巷道圍巖變形量

3 優(yōu)化巷道支護的參數(shù)

3.1 優(yōu)化錨桿參數(shù)

經(jīng)過實測現(xiàn)場，得知回風巷道能夠自穩(wěn)平衡拱的高度是1.9 m，且錨桿支護長度L 要比自穩(wěn)平衡拱所具有的高度要高。

式中：L1、L2、L3分別代表的是頂錨桿的自由一端的長度、平衡拱的拱高、平衡拱的拱外長度，分別取0.1 m、1.9 m、0.5 m。

將數(shù)值代入式（1）得：L=2.5 m。

與此同時，以礦井的真實狀況為基礎，對錨桿的直徑進行選定，所選定的直徑是20 mm。按照對錨桿屈服強度進行測量，得知QB=65 kN，在平衡拱中，錨桿所能承受的載荷最大是G=151.98 kN，那么，1 排所具有的錨桿數(shù)n 是：

將相關數(shù)據(jù)代入式（2）得：n=4.67。

所以，就能明確，頂板1 排就有5 根錨桿。因為巷道有4 m 的寬度，所以，錨桿排距是800 mm，按照礦井規(guī)格D20 mm×L2 500 mm，就能明確，每排錨桿的間距是1 400 mm。

根據(jù)式（1）、式（2）計算結果，對錨桿的參數(shù)與間排距進行確定，分別是D20 mm×L2 500 mm，800 mm、1 400 mm。

3.2 優(yōu)化錨索的參數(shù)

以式（3）為基礎，對錨索長度Ls進行計算：

式中：La、Lb、Lc代表的分別是直接頂?shù)暮穸?、錨索露在外側那端的長度與其自由端那側的長度，取值分別是4.3 m、0.3 m、3.2 m。

將數(shù)值代入式（3）得Ls=7.8 m。

4 優(yōu)化支護模擬分析

由于要明確支護方案進行優(yōu)化支護的成效，在本文中，對優(yōu)化之前與之后的原支護的參數(shù)的效果進行了模擬與分析。原巖應力要比錨桿支護應力所具有的數(shù)量級要大，由于要對支護成效進行保證，在本文中，以零原巖應力為基礎，來對支護參數(shù)進行模擬，表3就是圍巖詳細的參數(shù)。并且數(shù)值模型的長、寬、高分別是50 m、2 m、46.2 m，其分布幾乎是水平的。巷道斷面被設計成了矩形，高×寬是3.2 m×4.0 m，在固定模型的底邊的邊界時，要和水平方向垂直，在固定其左右的邊界時，要和水平平行。

表3 數(shù)值模型巖層材料參數(shù)

從原支護方案里，其巷道頂幫的淺部圍巖的支護壓應力的均值是0.16 MPa，而且支護應力的值隨著逐漸深入而增大；其兩幫區(qū)域中的圍巖形成平均大小是0.74 MPa 的支護壓應力，并且在兩幫所分布的形狀是弧狀的。以下就是應該注意的，因為有機的支護體形成于兩幫與頂板的圍巖中，其應力順著煤層底板逐漸傳遞到深處，而且壓應力由于深度的加深而上升。在優(yōu)化支護方案之后，其巷道頂幫的淺部圍巖所形成的支護壓應力的范圍要比原支護方案的要高很多，其平均值是0.23 MPa，而且兩幫支護的平均應力是0.96 MPa，其支護應力范圍具有和原支護方案相同的分布特征，這就表明，在對支護進行優(yōu)化之后，提高了支護的應力，使巷道圍巖更加穩(wěn)定了[2]。

5 現(xiàn)場試驗優(yōu)化之后的支護參數(shù)

在試驗時，要驗證優(yōu)化之后的支護方案，就要把該方案使用到回風巷的50 m 區(qū)域中20 d 來進行試驗并驗證。20 d 中對巷道的頂板移近量與兩幫的變形量進行監(jiān)測的所有數(shù)據(jù)如圖2 和圖3 所示。

圖2 優(yōu)化支護后回風巷頂?shù)装逡平壳€

圖3 優(yōu)化支護后回風巷兩幫移近量曲線

通過對圖2 與圖3 進行分析發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化支護參數(shù)之后，可以很好地控制巷道圍巖底板移近量與兩幫的變形量，而且，頂板移近量與兩幫變形量最大值分別是33.6 mm、11.6 mm，要比原支護方案中頂板移近量與兩幫變形量最大值358.6 mm、465.7 mm 小很多，這就表示在對方案進行優(yōu)化之后，可以很好地控制巷道圍巖的變形。

6 結語

在本文中，優(yōu)化了潞安化工集團某礦S1301 工作面回風巷原支護方案，經(jīng)過對支護參數(shù)進行優(yōu)化，就可以對巷道圍巖變形量進行進一步控制，而且兩幫變形量與頂板移近量和原支護方案相比有很大幅度的下降。