＊王世杰

（中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X礦 山西 043300）

引言

我國(guó)不規(guī)則原生結(jié)構(gòu)煤層資源豐富且分布廣泛，已形成規(guī)?；_采。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)煤礦和重點(diǎn)煤礦中，開采不規(guī)則傾斜角度煤層的礦井?dāng)?shù)量約占六分之一[1]。傾斜的弱煤層傾角較大，巖層重力方向與巖層層面方向的夾角變小，重力沿層理方向的作用力大大增加，這使得圍巖移動(dòng)、冒頂形態(tài)特征和巷道變形及支架所包含的新特征使其巷道圍巖變形破壞在同一斷面上具有顯著的不對(duì)稱或不均勻特征，使得巷道圍巖控制的復(fù)雜性和特殊性對(duì)巷道效果的要求更高[2]。

巷道支護(hù)效果的好壞與錨桿間距、錨桿排數(shù)、錨索滯后距離等是分不開的，其對(duì)巷道變形、支護(hù)受力的影響更大[3]。12307膠帶巷2#煤工作面回風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn)，運(yùn)輸順槽沿煤層頂板掘進(jìn)兩順槽基本為全煤巷道，原設(shè)計(jì)巷道支護(hù)方式為順槽頂板支護(hù)，運(yùn)輸順槽錨桿采用網(wǎng)支護(hù)，但由于煤體相對(duì)松軟，節(jié)理、裂隙發(fā)育，煤體強(qiáng)度低，且煤巖傾角大，巷道斷面圍巖軟弱，導(dǎo)致掘進(jìn)和支護(hù)困難[4]。因此，迫切需要尋求科學(xué)合理的工作面支護(hù)形式和支護(hù)效果，在保證安全高效生產(chǎn)的同時(shí)，研究這種復(fù)雜條件下煤層的支護(hù)方式具有現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)煤層智能掘進(jìn)工作面中的巷道支護(hù)進(jìn)行了一定的研究和試驗(yàn)，但相關(guān)文獻(xiàn)較少，尤其缺乏對(duì)智能巷道支護(hù)理論與技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜條件下巷道掘進(jìn)支護(hù)實(shí)踐的研究[5]。本文擬通過(guò)數(shù)值分析軟件對(duì)巷道周圍應(yīng)力進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)值模擬不同支護(hù)方案下的支護(hù)效果，對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后通過(guò)井下數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值模擬優(yōu)化巷道支護(hù)效果，研究成果可為其他煤礦相似地質(zhì)條件工作面巷道支護(hù)提供參考。

1.研究區(qū)概況

以王家?guī)X煤礦2號(hào)煤層工作面運(yùn)輸巷道為研究對(duì)象，巷道寬度a為5.6m，高度b為3.55m，平均埋深300m，底板巖層所受應(yīng)力為10MPa，將巷道橫截面視為平面應(yīng)變狀態(tài)，遠(yuǎn)場(chǎng)作用垂直和水平載荷，受力情況如圖1所示。王家?guī)X煤礦2號(hào)煤層工作面運(yùn)輸巷道圍巖應(yīng)力在巷道頂?shù)捉俏恢锰帒?yīng)力集中程度較大，最大應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到8～10，約為兩幫圍巖應(yīng)力的4～5倍，底板圍巖應(yīng)力較小，不同寬高比時(shí)圍巖均受壓應(yīng)力。

圖1 矩形巷道圍巖應(yīng)力分析力學(xué)模型

王家?guī)X2號(hào)煤工作面煤層賦存穩(wěn)定，鄰近工作面內(nèi)及勘探鉆孔揭露煤層厚度5.0～6.13m，在受構(gòu)造影響地段煤層厚度變化較大，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜?？箟簭?qiáng)度5.22～6.38MPa，平均5.91MPa，強(qiáng)度屬偏弱煤層；平均抗拉強(qiáng)度0.23MPa，黏聚力0.25MPa，彈模0.31GPa，均強(qiáng)度偏低。直接頂為粉砂巖，平均層厚8.74m，直接頂?shù)目箟?、抗剪、抗拉?qiáng)度均較高，巖石致密，巖層相對(duì)穩(wěn)定，可作為巷道頂板支護(hù)的錨固層；直接底為泥巖、中粒砂巖，平均厚度0.86m。

2.巷道支護(hù)數(shù)值分析

基于研究區(qū)王家?guī)X煤礦2號(hào)煤層工作面運(yùn)輸巷道的概況分析，確定數(shù)值模型，然后通過(guò)不同錨桿間距數(shù)值模擬、不同錨桿排距數(shù)值模擬、錨索滯后距離數(shù)值模擬、錨索滯后錨桿不同距離數(shù)值模擬確定出巷道支護(hù)效果的影響因素，最終通過(guò)不同支護(hù)方案的數(shù)值模擬來(lái)確定最優(yōu)的支護(hù)方案。

(1)數(shù)值模型

根據(jù)王家?guī)X礦具體的地質(zhì)條件，建立仿真模型如圖2所示，模型尺寸長(zhǎng)×寬×高為64m×5m×41m，巷道尺寸為5.6m×3.55m，對(duì)模型的上邊界施加7.35MPa垂直載荷來(lái)模擬上覆巖層，對(duì)巷道網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化。模擬中煤巖體力學(xué)參數(shù)參考王家?guī)X煤礦相關(guān)地質(zhì)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果，對(duì)煤巖層厚度取整數(shù)。

圖2 建立模型和邊界條件

(2)不同錨桿間距數(shù)值

隨著錨桿間距的增大，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰屏恳来卧龃?，巷道的支護(hù)效果逐漸變差。當(dāng)錨桿間距由1000mm逐漸減少時(shí)，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰屏孔兓容^小，圍巖處于一個(gè)強(qiáng)飽和的狀態(tài)。當(dāng)錨桿間距大于1000mm時(shí)，巷道頂板和兩幫位移量都劇烈增加，錨桿支護(hù)效果較差。從巷道支護(hù)效果及經(jīng)濟(jì)效益綜合考慮，1000mm間距可取得更為理想的控制效果。

(3)不同錨桿排距數(shù)值

隨著錨桿排距的增大，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰屏恳来卧龃?，其中巷道頂板位移的增大量比底板和兩幫的變形量大，巷道的支護(hù)效果逐漸變差。根據(jù)支護(hù)效果來(lái)說(shuō)，選擇錨桿排距900mm時(shí)支護(hù)效果最好，但是錨桿密度越大，需要消耗的材料和時(shí)間就越長(zhǎng)，成本也就越高。綜合考慮，錨桿的排距可選為1000mm。如果在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中巷道變形嚴(yán)重，可將錨桿排距調(diào)整為900mm。

(4)錨索滯后距離數(shù)值

隨著錨桿滯后支護(hù)距離的增加，頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰屏恐饾u增大，滯后距離在0.4～0.6m時(shí)，巷道四周位移相近，變化不大。但滯后距離繼續(xù)增大后，巷道周邊位移變形量明顯增大。在保證巷道穩(wěn)定的前提下，適當(dāng)?shù)卦黾涌枕斁嚯x（即錨桿滯后支護(hù)的距離）有利于加快巷道的掘進(jìn)速度，因此選擇錨桿滯后距離為0.6m，在施工過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

(5)錨索滯后錨桿不同距離數(shù)值

無(wú)論錨桿排距900mm還是錨桿排距1000mm時(shí)，隨著錨索滯后錨桿距離的增加，巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰贫加性黾樱亲兓坎淮?，可見，?dāng)巷道在支護(hù)好錨桿后，錨索可以適當(dāng)滯后打設(shè)，既保證了巷道的穩(wěn)定性，又提高了支護(hù)和掘進(jìn)效率。當(dāng)錨桿排距為1000mm，錨索滯后錨桿3.5m打設(shè)；當(dāng)錨桿排距為900mm時(shí)，錨索滯后錨桿3.15m打設(shè)。

(6)不同支護(hù)方案數(shù)值

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和井下實(shí)測(cè)結(jié)果，設(shè)計(jì)如下四種支護(hù)方案。方案一：巷道最大垂直應(yīng)力9.79MPa，巷道最大水平應(yīng)力7.3MPa，兩幫頂?shù)捉怯袘?yīng)力集中，巷道頂板最大下沉量21.5mm，底鼓最大值9.29mm，兩幫移近量20mm；方案二：巷道最大垂直應(yīng)力為10MPa，巷道最大水平應(yīng)力為7.48MPa，巷道兩幫頂?shù)捉怯袘?yīng)力集中現(xiàn)象，巷道頂板最大下沉量達(dá)到22.2mm，底鼓最大值達(dá)到9.28mm，兩幫移近量為19.9mm；方案三：巷道最大垂直應(yīng)力為9.79MPa，巷道最大水平應(yīng)力為7.31MPa，巷道兩幫頂?shù)捉怯袘?yīng)力集中現(xiàn)象，巷道頂板最大下沉量達(dá)到22.2mm，底鼓最大值達(dá)到9.29mm，兩幫移近量為20.1mm；方案四：巷道最大垂直應(yīng)力為10MPa，巷道最大水平應(yīng)力為7.49MPa，巷道兩幫頂?shù)捉怯袘?yīng)力集中現(xiàn)象，巷道頂板最大下沉量達(dá)到22.4mm，底鼓最大值達(dá)到9.28mm，兩幫移近量為19.9mm。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知（表1），方案一至方案四支護(hù)效果相差不大，方案一頂板相對(duì)其他三個(gè)方案下沉量較小。若從支護(hù)效果考慮，方案一最優(yōu)，方案二、三和方案四次之；從經(jīng)濟(jì)效益及支護(hù)效率考慮，方案四最優(yōu)，方案一、二和方案三次之。結(jié)合王家?guī)X相鄰巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)綜合考慮，選擇支護(hù)方案四最合適，即錨桿間排距為1000mm×1000mm，錨索間排距為3000mm×2000mm，2-0-2布置，兩根錨索之間布置一根錨桿。實(shí)際支護(hù)方案可根據(jù)井下實(shí)際情況和作業(yè)規(guī)程再優(yōu)化、完善。

表1 支護(hù)方案匯總表

支護(hù)方案四雖一定程度上增加了施工復(fù)雜性和成本，但有效改善了巷道重復(fù)修復(fù)等問(wèn)題，有效提高了工作效率，預(yù)計(jì)一個(gè)圓班正常情況下，能多產(chǎn)出一刀煤，顯著提高了經(jīng)濟(jì)效益，且保障了煤礦作業(yè)安全。

3.支護(hù)效果實(shí)測(cè)

為了驗(yàn)證改進(jìn)的支護(hù)方案的有效性，在井下進(jìn)行了實(shí)測(cè)，在膠帶巷里程730m處實(shí)行新的支護(hù)方案。同時(shí)在井下里程和井上調(diào)度室收集了礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，原支護(hù)方案和改進(jìn)的支護(hù)方案都能滿足巷道控制的需求，沒(méi)有出現(xiàn)冒頂、片幫、離層等現(xiàn)象。

新支護(hù)方案在掘進(jìn)巷道里程730m處附近實(shí)行，為定量的對(duì)比新舊支護(hù)方案，選取了630m、680m、730m、780m四個(gè)測(cè)點(diǎn)的礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。3個(gè)測(cè)點(diǎn)的頂錨桿、頂錨索和兩幫錨桿載荷變化量都在一定范圍內(nèi)，變化幅度趨于平穩(wěn)。780m處測(cè)點(diǎn)安裝于2022年4月4日，安裝初期頂板錨桿載荷的原始數(shù)據(jù)為80kN，頂板錨索載荷的原始數(shù)據(jù)為123kN，左幫錨桿載荷的原始數(shù)據(jù)為40.5kN，右?guī)湾^桿載荷的原始數(shù)據(jù)為42.4kN，頂?shù)装鍑鷰r高度為3500mm，兩幫圍巖寬度為5450mm。截止到2022年4月9日，頂板錨桿載荷基本保持不變；頂板錨索載荷在前兩天保持不變的情況下，在安裝后的第3天數(shù)據(jù)增大，之后保持穩(wěn)定；左幫錨桿載荷變化幅度較小，在安裝后的第4天變化明顯，然后起伏；右?guī)湾^桿載荷呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，此時(shí)應(yīng)注意右?guī)湾^桿載荷的每日變化，加強(qiáng)右?guī)湾^桿的拉拔力檢測(cè)，必要時(shí)右?guī)驮黾又ёo(hù)。

為有效評(píng)估新支護(hù)方案的穩(wěn)定性，后續(xù)通過(guò)增加測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)時(shí)間進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)，在上述四個(gè)測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上縮小測(cè)點(diǎn)間距，分別在655m、705m、755m和805m布置新測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行了持續(xù)3個(gè)月的跟蹤實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，頂板錨桿、錨索和左幫錨桿載荷基本保持穩(wěn)定，與前期監(jiān)測(cè)結(jié)果一致；右?guī)湾^桿在監(jiān)測(cè)15天后增加至最大值，并趨于穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)右?guī)妥冃瘟枯^小，滿足作業(yè)要求。

結(jié)合支護(hù)效果和礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，新支護(hù)方案能夠滿足巷道掘進(jìn)的支護(hù)要求，又較原來(lái)的支護(hù)方案減少了支護(hù)時(shí)間，提高了支護(hù)效率，每個(gè)月需要270個(gè)工降低至140個(gè)工，有效提高了工效。

4.結(jié)論

根據(jù)巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果建立了巷道支護(hù)方案的數(shù)值模型，研究了不同錨桿間排距、錨桿滯后距離及錨索滯后距離對(duì)巷道圍巖變形的影響。調(diào)研了12307膠帶巷的支護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)程，根據(jù)調(diào)研結(jié)果設(shè)計(jì)了4種支護(hù)方案，并對(duì)4種支護(hù)方案進(jìn)行了模擬分析，得出了最優(yōu)的支護(hù)方案，且模擬方案可根據(jù)不同煤礦及不同巷道地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而優(yōu)選巷道最佳支護(hù)方案。

通過(guò)數(shù)值模擬和井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析支護(hù)效果和礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，與原支護(hù)方案相比，新支護(hù)方案能夠滿足巷道掘進(jìn)的支護(hù)要求，在長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的監(jiān)測(cè)階段，巷道未出現(xiàn)冒頂、片幫、離層等現(xiàn)象，每個(gè)月需要270個(gè)工降低至140個(gè)工，提高了支護(hù)效率；且一個(gè)圓班正常情況下，能多產(chǎn)出一刀煤，顯著提高了經(jīng)濟(jì)效益。