大斷面煤巷支護設(shè)計優(yōu)化及應(yīng)用研究

梁文明

(汾西礦業(yè)集團新柳煤業(yè)公司，山西省呂梁市，032000)

在綜采放頂煤技術(shù)不斷發(fā)展的今天，采掘設(shè)備大型化是必然趨勢，與之配套的巷道的斷面也隨之增大，大斷面巷道給巷道圍巖控制帶來了挑戰(zhàn)。尤其是當(dāng)巷道頂板破碎、支護不及時和不合理時，就會出現(xiàn)頂板離層、巷道變形、片幫，甚至冒頂事故，所以對于大斷面煤巷選擇合理的支護方式和支護參數(shù)具有重要的意義。

現(xiàn)階段，煤巷設(shè)計要綜合考慮支護安全、支護成本、掘進進度等因素，盡可能做到投入產(chǎn)出比最大化。常用的煤巷支護設(shè)計方法主要有工程類比、理論計算、數(shù)值模擬和監(jiān)控設(shè)計4種。本文在工程類比的基礎(chǔ)上給出改進方案，利用FLAC3D數(shù)值模擬的先驗性，最后通過工程監(jiān)測后驗支護效果好壞及支護效果的合理與否。

1 工程概況

金莊礦2203運輸巷位于＋1135水平，地面標(biāo)高為＋1488m，該段地層屬石炭系上統(tǒng)太原組C3t，2203運輸巷建在3-5＃煤層底板，煤層傾角2°～3.5°，合并區(qū)煤層全厚平均為22.04m，純煤厚平均20.58m，煤層含多層夾石，其巖性為黑色炭質(zhì)泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，受地質(zhì)構(gòu)造影響煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，松軟破碎，普氏系數(shù)f＝1.1。頂、底板及夾矸巖性一般為高嶺巖、高嶺質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖或細(xì)粒砂巖。2203運輸巷所處煤層較厚、煤體破碎，掘進地質(zhì)條件復(fù)雜，支護困難。該巷為直角矩形斷面，巷道寬5.2m，高3.7m，鋪底為0.2mm，運輸巷凈斷面積為18.2m2，如圖1所示。

圖1 運輸巷斷面圖

原支護方案頂錨桿采用?22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900mm×1000mm，錨索采用 “三二三”布置，規(guī)格為?17.8mm×8300mm，排間距為2000mm×2000 mm。左幫采用?20mm×2200mm左旋螺紋玻璃鋼錨桿，間排距為1200mm×1000mm。右?guī)筒捎?22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1200mm×1000mm。巷道兩上肩窩處分別補打錨桿，規(guī)格同頂板錨桿。運輸巷所在石炭紀(jì)特厚煤層受地質(zhì)構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙非常發(fā)育，煤體破碎，加之煤巷掘進斷面大，導(dǎo)致巷道支護困難，支護時間長，掘進支護效率低。從原支護方案的支護效果看，巷道頂板存在兩幫移近量大，頂板離層嚴(yán)重的問題，時有漏頂、冒頂?shù)默F(xiàn)象發(fā)生，給生產(chǎn)安全帶來較大隱患。為更利于掘、支平衡和工作面的接替，保證礦井安全、高效和經(jīng)濟生產(chǎn)，需要對原支護方案進行優(yōu)化設(shè)計。

2 方案優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)原方案提供的支護參數(shù)和實際效果，結(jié)合該礦支護效果較好的同類巷道的支護方案，采用工程類比法設(shè)計了3種改進方案。

(1)改進方案1:與原支護方案相比，去掉頂板兩肩窩處補打的錨桿，頂板支護其余參數(shù)不變。兩幫的支護方式同原支護方案。

(2)改進方案2:頂板支護參數(shù)如方案1。兩幫所有錨桿換成?22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿 (同頂錨桿的強度)，間排距保持不變。且每隔兩排用一根錨索替代原位置處一根錨桿，規(guī)格采用?15.24mm×5000mm。其余支護參數(shù)不變。

(3)改進方案3:幫錨桿支護同方案二，頂錨桿支護方案為去掉巷道頂板兩肩窩處補打的錨桿，頂板的錨索支護由 “三二三”支護變?yōu)?“二二”支護，支護的排拒為1500mm，一排在兩鋼帶之間，一排在垂直距離1500mm的鋼帶兩端 (即巷道上頂角處)，且保持與豎直方向30°夾角進行交替支護。

3 模型的建立

采用FLAC3D建立巷道的三維立體力學(xué)模型及計算模型網(wǎng)格，其幾何尺寸為50m×6m×45m，計算模型共有67992個單元和75478個節(jié)點。

巷道數(shù)值模擬為全斷面一次開挖，一掘一錨，模擬開挖進尺為1m。模擬所用物理力學(xué)參數(shù)來自實驗室的實驗結(jié)果。

2203運輸巷巖層物理、力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)

4 相對最優(yōu)方案的提出

運用FLAC3D對3種支護方案的支護效果進行模擬，模擬結(jié)果與原方案進行對比，如表2所示。

從表2中可以看出，改進方案1和2的頂板最大位移量、幫部最大位移量及頂板錨桿最大軸力相差不大，幫錨桿的軸力比較大，接近屈服強度；改進方案3的幫錨桿軸力也較大，因此應(yīng)該加強巷道幫部的支護強度。改進方案3的頂板位移量要明顯小于其它兩種方案，此種方案的頂板支護是較優(yōu)的。

表2 支護方案的穩(wěn)定性分析

圖2 較優(yōu)方案支護布置圖

在綜合分析3種改進方案的基礎(chǔ)上，同時綜合考慮經(jīng)濟成本和施工條件，設(shè)計出金莊礦2203運輸巷優(yōu)化的支護方案，見圖2。

(1)頂板支護方案。巷道頂板采用規(guī)格為?22mm×2400mm的20MnSi左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900mm×1000mm，托盤均選用高強度托盤，托板規(guī)格為150mm×150mm×10 mm，錨桿錨固均采用兩支樹脂藥卷錨固，一支規(guī)格為K2335，另一支規(guī)格為Z2360，錨固長度為1200mm，預(yù)緊力不小于60kN。

錨索為 “二二”布置，規(guī)格采用?17.8mm×8300mm，排距為1500mm，一排在兩鋼帶之間，一排在垂直距離1500mm的W鋼帶上的兩端 (即巷道上頂角處)，且保持與豎直方向30°夾角，進行交替支護。配套金屬托板規(guī)格均為300mm×300mm×20mm。

頂板金屬網(wǎng)采用?6.0冷拔鋼筋制作，規(guī)格為2000mm×1000mm，網(wǎng)格為80mm×80mm。頂板托梁均選用W型鋼帶，規(guī)格為4700mm×220mm×3mm (長×寬×厚)，錨桿均布置在鋼帶上。

(2)兩幫支護方案。巷道左幫為玻璃鋼錨桿同金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。玻璃鋼錨桿均采用?22mm×2400mm左旋螺紋樹脂錨桿，間排距為1000mm×1000mm。托盤均選用塑鋼托盤，托盤規(guī)格為150mm×150mm×10mm，螺帽均為塑鋼。玻璃鋼錨桿均采用樹脂藥卷錨固，規(guī)格為Z2360樹脂藥卷，錨固長度為600mm，錨固力不小于70kN，玻璃鋼錨桿均采用三花布置。左幫采用塑料網(wǎng)，規(guī)格為2000mm×1000mm (長×寬)，網(wǎng)格為50mm×50mm，鋼筋網(wǎng)與塑鋼網(wǎng)連接處不搭接。

巷道右?guī)筒捎?22mm×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1000mm×1000mm，托盤均選用高強度托盤，托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，錨桿錨固均采用兩支樹脂藥卷錨固，一支規(guī)格為K2335，另一支規(guī)格為Z2360，錨固長度為1200mm，錨固力不小于6t，預(yù)緊力不低于60 kN。采用?6.0冷拔鋼筋制作的金屬網(wǎng)，規(guī)格為2000mm×1000mm，網(wǎng)格為100mm×100mm。

巷道底板鋪底厚度均為200mm混凝土，混凝土強度為C25。

(3)優(yōu)化方案與原方案對比分析。優(yōu)化方案與原方案的區(qū)別在于優(yōu)化方案將原方案上肩窩處的兩排錨桿放到了幫部，此時各幫每排有4根錨桿支護，頂板的錨索由 “五花”布置，變?yōu)?“二二”布置，且一排布置在錨帶中間，一排布置在錨帶兩端。2203運輸巷采用改進的優(yōu)化方案后各個指標(biāo)如表3所示，優(yōu)化后的方案在巷道圍巖的位移量、塑性區(qū)及錨桿和錨索的受力控制方面都優(yōu)于原方案，使運輸巷兩幫塑性區(qū)深度由原方案的4.43m減小到3.86m，減小了13.0%；幫部錨桿錨固力由150kN減小到108.5kN，減小了27.7%；頂板最大位移由45.6mm減小到34.8mm，減小了23.7%。由此可見，優(yōu)化后的方案能夠有效維持巷道的穩(wěn)定性，支護的安全性大大提高。

根據(jù)現(xiàn)場測算統(tǒng)計，優(yōu)化方案與原方案相比，頂板兩肩窩處的2排錨桿移到兩幫安裝，使得安裝錨桿的時間減少，每支護100m長巷道節(jié)省時間210min。另外，優(yōu)化后的錨索打在鋼帶孔內(nèi)替代錨桿，相當(dāng)于每排少打了3根錨桿，每6排多打了1根頂錨索，每支護100m長巷道，多打7根頂錨索、66根錨桿，但每施工100m巷道卻節(jié)省支護時間262.8min。以上兩項使得每支護100m巷道累計節(jié)省時間472.8min。

表3 優(yōu)化方案與原方案支護效果對比

5 結(jié)語

(1)基于工程類比、數(shù)值模擬和工程監(jiān)測技術(shù)的綜合設(shè)計方法，能夠滿足大斷面煤巷支護安全、節(jié)約成本、加快進度的要求。

(2)應(yīng)用FlAC3D進行大斷面煤巷支護優(yōu)化設(shè)計能較快地得到優(yōu)化方案，為實現(xiàn)煤巷的快速安全高效支護提供基礎(chǔ)。優(yōu)化方案實施后，運輸巷兩幫塑性區(qū)、幫部錨桿錨固力、頂板最大位移都比原來減小10%～30%，每支護施工100m節(jié)省時間約8h，明顯提高煤巷的掘進速度。

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