基于動態(tài)信息優(yōu)化金莊大松動圈全煤巷支護(hù)參數(shù)

高 宇 樊攀峰 趙 陽

(1．同煤集團(tuán)金莊煤業(yè)；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院)

基于動態(tài)信息優(yōu)化金莊大松動圈全煤巷支護(hù)參數(shù)

高 宇1樊攀峰2趙 陽1

(1．同煤集團(tuán)金莊煤業(yè)；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院)

金莊煤業(yè)20 m特厚煤層綜放開采工作面回采巷道現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)略過保守，造成掘進(jìn)施工材料消耗高，成巷工期長。采用動態(tài)信息設(shè)計方法，運用超聲波測速儀實測現(xiàn)有支護(hù)下的松動圈半徑R=1.6～2.1 m，屬于大松動圈，對頂?shù)装逡平恳约吧罨c位移進(jìn)行實測，表明現(xiàn)有支護(hù)較為適應(yīng)巷道變形。參照原有設(shè)計，運用壓縮梁理論設(shè)計4個不同優(yōu)化方案，并進(jìn)行數(shù)值模擬，比較各方案的巷道變形以及錨桿索支護(hù)能力發(fā)揮的情況，基于安全經(jīng)濟(jì)的原則選擇最優(yōu)方案。結(jié)果表明，每掘進(jìn)100 m巷道可節(jié)省14根錨索及136根錨桿，工時可節(jié)省16 h。

動態(tài)信息設(shè)計 松動圈 支護(hù)參數(shù)

大斷面全煤巷支護(hù)設(shè)計屬于軟巖范疇。近年來，此類支護(hù)越來越強(qiáng)調(diào)高預(yù)應(yīng)力、高剛度、高強(qiáng)錨桿以及一次支護(hù)的重要性。在設(shè)計方面，借鑒動態(tài)信息設(shè)計，實時監(jiān)測巷道位移以及錨桿索的支護(hù)阻力，以此反饋信息作為二次支護(hù)或返修的根據(jù)[1]。其中松動圈實測就是巷道變形的一個綜合指標(biāo)，也是動態(tài)信息反饋支護(hù)優(yōu)化的重要參數(shù)[2]。在支護(hù)組合方面，強(qiáng)調(diào)互補(bǔ)耦合支護(hù)[3]，康紅普對組合構(gòu)件中的錨桿索、帶、網(wǎng)進(jìn)行了受力分析[4-5]，在潞安礦區(qū)成功應(yīng)用；余偉建則提出以“桁架錨索”為核心的協(xié)同支護(hù)，在軟弱煤巖巷取得了較好的效果[5]。

如支護(hù)設(shè)計利用率低，則支護(hù)材料消耗大，掘進(jìn)速度慢，勞動強(qiáng)度高，經(jīng)濟(jì)效益低。為此，對金莊煤礦5203回采巷的現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)進(jìn)行動態(tài)信息監(jiān)測，根據(jù)反饋信息提出優(yōu)化方案，運用數(shù)值模擬比較各方案，獲得最優(yōu)支護(hù)參數(shù)，以利于快速掘進(jìn)和降低支護(hù)成本。

1 礦井支護(hù)現(xiàn)狀

該礦井井田為一不規(guī)則多邊形，井田范圍由20個拐點坐標(biāo)圈定，井田東西最大長度約19.99 km，南北最大寬度約12.24 km，面積約196.44 km2。井田含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，共含煤18層，其中3#、5(3-5)#、8#煤層為主要可采煤層，地質(zhì)儲量3 970.82 Mt，可采儲量1 414.19 Mt，服務(wù)年限94 a。煤層頂?shù)装鍘r層力學(xué)性質(zhì)見表1，現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)見表2。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)

表2 現(xiàn)有頂板兩幫支護(hù)參數(shù)

2 松動圈實測

2.1 松動圈發(fā)展機(jī)理

圍巖松動圈支護(hù)理論認(rèn)為，支護(hù)對松動圈的形成發(fā)展影響很小，支護(hù)的主要作用就是控制有害的圍巖碎脹變形，而且支護(hù)力主要來自于碎脹變形。無論何種支護(hù)形式，由于不能進(jìn)行理論意義上的及時支護(hù)，并不能阻礙松動圈的形成，只能控制其發(fā)展過程中的有害變形。

根據(jù)彈塑性理論分析，巷道開挖以后，圍巖在地應(yīng)力作用下不均勻位移，造成應(yīng)力集中。如果一點處有拉應(yīng)力分布，且拉應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度，即被拉壞；若主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，應(yīng)力集中系數(shù)過大，則發(fā)生剪壓破壞。此時，圍巖承載能力降低，以殘余強(qiáng)度為主，應(yīng)力集中向巷道深部轉(zhuǎn)移，使巷道周邊產(chǎn)生極限平衡區(qū)。在應(yīng)力重新分布的過程中，圍巖向臨空一側(cè)變形，位移過大則發(fā)生冒頂或片幫。松動圈指圍巖整個極限平衡區(qū)，包含了圍巖大變形松動區(qū)與塑性區(qū)，而不只是最大主應(yīng)力低于地應(yīng)力的松動區(qū)。

松動圈的測量原理基于超聲波橫波及縱波波速與圍巖裂隙發(fā)育的關(guān)系：

(1)

式中，VP為煤體縱波速度；VS為煤體橫波速度；E為煤體彈性模量；μ為煤體泊松比；ρ為煤體密度。

2.2 松動圈實測結(jié)果

巷道左幫1#測孔在距工作面迎頭300 m位置處的測試結(jié)果為：煤體最高聲速為98.3 mm/s，最低聲速為40 mm/s，且隨著孔深增加。在距孔口1.7 m以內(nèi)時，聲波波速較低，基本在40 mm/s左右；在1.8～2.9 m時，聲波波速不斷增大并逐漸趨于穩(wěn)定；在3～3.7 m時基本穩(wěn)定在85 mm/s。綜上分析可知，該處松動圈大致可確定為1.6～1.8 m，局部較破碎地帶圍巖松動圈可達(dá)到2.0 m。

巷道右?guī)?#測孔在距工作面迎頭300 m位置處的測試結(jié)果為：煤體最高聲速為91.8 mm/s，最低聲速為61.1 mm/s，且隨著孔深增加。在距孔口2 m以內(nèi)時，聲波波速較低，處在65 mm/s以下；在2.1～2.6 m時，聲波波速逐漸增大并穩(wěn)定在90 mm/s左右；在2.7～3.3 m時基本穩(wěn)定在90 mm/s左右。綜上分析可知，該處松動圈的大小大致可確定為2.1 m左右。實測結(jié)果見圖1。

圖1 測孔距工作面不同距離聲速與孔深關(guān)系

2.3 巷道變形及錨桿索工作阻力實測

表面位移觀測表明，巷道開挖之處頂?shù)装迨諗苛恳煊趦蓭褪諗苛?，兩幫先于頂?shù)装宸€(wěn)定。最終頂板收斂量為47 mm，大于兩幫的收斂量41 mm。通過對頂板及兩幫錨桿錨固力觀測，發(fā)現(xiàn)頂板錨桿最大錨固力為87 kN，大于兩幫的最大錨固力68 kN。巷道頂板4個地點觀測數(shù)據(jù)表明，頂板離層為18～31.6 mm。以上的數(shù)據(jù)分析表明，目前所使用的支護(hù)方式基本能夠?qū)崿F(xiàn)對煤巷的支護(hù)，但頂板離層偏大，在保證巷道整體穩(wěn)定性的前提下，需要對錨索的布置方式進(jìn)行調(diào)整。

3 優(yōu)化方案設(shè)計

3.1 矩形斷面壓縮梁承載機(jī)理

巷道斷面如果為直墻拱形或拱形，在錨梁網(wǎng)組合作用下，錨固機(jī)理呈現(xiàn)出壓縮拱特性，錨桿作用區(qū)相互交疊組成承載拱。對于矩形巷道，一般將其視為組合梁結(jié)構(gòu)，如果錨桿作用機(jī)理相同，都有一個主壓應(yīng)力作用區(qū)相互交疊，就能夠改變梁的拉伸破壞應(yīng)力狀態(tài)，一方面有鋼帶與網(wǎng)承擔(dān)梁下部的拉應(yīng)力，相當(dāng)于在底部配了縱筋；另一方面由于支護(hù)圍巖的相互作用，圍巖相當(dāng)于增加了箍筋，提高了抗剪強(qiáng)度，同時在臨空面提供支護(hù)壓應(yīng)力。在頂板靠近巷幫處剪力最大，需要密箍，即大斷面矩形巷道要在肩窩處補(bǔ)打兩排錨桿的原因。這種結(jié)構(gòu)稱為壓縮梁。

根據(jù)壓縮梁的穩(wěn)定性機(jī)理，當(dāng)壓縮梁厚度H大于安全厚度hc時，即安全。據(jù)此初步設(shè)計壓縮梁穩(wěn)定時的安全厚度：

(2)

(3)

(4)

壓縮梁中的安全系數(shù)F為：

(5)

(6)

式中，F(xiàn)為強(qiáng)度增值系數(shù)；hc為最小壓縮梁厚度；B為錨桿排距，根據(jù)頂板類型和現(xiàn)場實際確定；L為巷道寬度；qm為頂板載荷；η1為長時強(qiáng)度系數(shù)；η2為巖體強(qiáng)度系數(shù)；η3為巖塊端角摩擦系數(shù)，一般取0.5；σc為巖(煤)抗壓強(qiáng)度；k為巖石壓、拉強(qiáng)度比值。

如果支護(hù)參數(shù)滿足壓縮梁穩(wěn)定厚度時，則說明參數(shù)選擇是適合的。

3.2 優(yōu)化方案設(shè)計與比較

3.2.1 方案Ⅰ

將原方案中巷幫處的兩排補(bǔ)打錨桿減去，分析巷道錨索、錨桿軸力可知，巷道兩幫處錨桿受力明顯大于巷道頂板處錨桿，錨桿的最大拉應(yīng)力為228.1 kN，出現(xiàn)在巷道右?guī)椭胁?，而頂板錨桿的最大錨固力為75.8 kN，錨索的最大軸力出現(xiàn)巷道頂板中部，為327.2 kN。

3.2.2 方案Ⅱ

將玻璃鋼與塑料網(wǎng)換成與右?guī)拖嗤?，且間隔3.0 m，將上幫錨桿換成5.0 m錨索。巷道兩幫處錨索、錨桿受力明顯大于巷道頂板處。錨索的最大拉應(yīng)力為308.9 kN，出現(xiàn)在巷道右?guī)椭胁浚饕邢锏罍\部圍巖區(qū)域，深部圍巖進(jìn)入兩幫應(yīng)力集中區(qū)后錨索幾乎不起作用。錨桿最大拉應(yīng)力為188.9 kN。頂板錨桿最大錨固力為166.4 kN，頂板錨索最大錨固力出現(xiàn)在巷道頂板中部，為127.5 kN。

3.2.3 方案Ⅲ

將方案Ⅰ頂板錨索排距降低0.5 m，且每排只打兩根錨索，減小錨索密度；左右兩幫錨桿類型同原方案，但間距減少0.2 m，錨桿支護(hù)密度增大。巷道頂板和兩幫的變形速度較為接近，約20 mm，巷道支護(hù)后，巷道表面收斂速度明顯降低，兩幫最終位移量僅為29.3 mm，而頂板位移量則較為緩慢下降，最終位移量為45.6 mm。頂板沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域，但發(fā)生剪切破壞，塑性區(qū)深度約0.94 m；巷道兩幫中部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力范圍和拉應(yīng)力值均較小，兩幫主要發(fā)生剪切破壞，破壞深度達(dá)4.34 m。

施加錨桿支護(hù)后幫錨桿軸力在位移很小時線性增加，而后呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特性，監(jiān)測點軸力的增長速度低于巷道變形速度；頂錨桿在受力后出現(xiàn)硬化特性，且很快達(dá)到其屈服點，產(chǎn)生塑性流動。其中，頂板中部錨桿(2#監(jiān)測點)軸力最大為164.5 kN，錨桿深部(3#監(jiān)測點)軸力最低，為32.6 kN。巷道兩幫中部錨桿軸力最大，為178.6 kN，錨桿深部(3#監(jiān)測點)軸力僅為59.7 kN。圖2為頂板兩幫錨桿軸力監(jiān)測圖。

圖3為頂板錨索軸力監(jiān)測圖。由于巷道支護(hù)初期圍巖位移速度較大，施加錨索支護(hù)后錨索軸力線性增加，隨著錨固支護(hù)作用愈加明顯，巷道表面位移速度逐漸降低，錨索軸力增速明顯降低，錨索中部2#、3#、4#監(jiān)測點軸力較大，錨索深部7#、8#監(jiān)測點軸力較小，而通過巷道錨索軸力分布圖可知，錨索的最大錨固力出現(xiàn)巷道頂板中部，為120.2 kN，兩邊錨索作用力較小。

圖2 方案Ⅲ頂板和兩幫錨桿受力

圖3 錨索軸力監(jiān)測

3.2.4 方案Ⅳ

方案Ⅳ是方案Ⅲ與方案Ⅱ的結(jié)合，左右?guī)团c方案Ⅱ相同，頂板用方案Ⅳ的參數(shù)。

方案Ⅳ巷道兩幫處錨索、錨桿受力大于巷道頂板處，巷道右?guī)椭胁垮^桿的最大拉應(yīng)力為198.6 N，頂板錨桿最大錨固力為66.4 kN，頂板錨索最大錨固力出現(xiàn)巷道頂板中部，為308.6kN。

3.2.5 支護(hù)方案比較

方案Ⅲ與方案Ⅱ相比，頂板支護(hù)每6排，方案Ⅲ比方案Ⅱ多用一根錨索，少用4跟錨桿。而在實際掘進(jìn)試驗中發(fā)現(xiàn)，打一根頂錨索的平均時間為16.2 min，而打一根頂錨桿的平均時間為5.7 min，因此從頂板支護(hù)時間和費用的控制上看，方案Ⅲ偏優(yōu)；在頂板位移量的控制上兩方案相當(dāng)，但兩幫最大位移量、頂板及兩幫塑性區(qū)的控制、錨桿與錨索軸力上，方案Ⅲ在變形與快速掘進(jìn)施工方面較好，而且頂?shù)装逦灰埔约八苄詤^(qū)深度與原方案的差別很小，幾乎可以忽略，考慮到此方案在鋼帶兩側(cè)并沒有補(bǔ)打錨桿，而且錨索密度降低，恰有一排錨索代替兩根錨桿；頂板每100 m少打14根錨索與136根錨桿；由于巷幫錨桿密度增加，變?yōu)槊颗?根，巷幫錨桿增加200根。此方案沒有在兩側(cè)幫角補(bǔ)打錨桿，整體減少16 h，相當(dāng)于兩個掘進(jìn)班的作業(yè)時間。各方案比較見表3。

4 結(jié) 論

(1)通過對現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)作用下的5203矩形大斷面全煤巷松動圈的實測，松動圈半徑范圍為1.6～2.1 m，屬于大松動圈。根據(jù)動態(tài)信息設(shè)計方法，對巷道頂?shù)装逡平?、頂板離層值以及錨桿索的受力進(jìn)行實測與數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)能滿足巷道變形的控制要求，只是支護(hù)利用率不高。

表3 各優(yōu)化方案支護(hù)效果比較

(2)利用矩形巷道頂板壓縮頂梁支護(hù)理論，提出最小安全厚度的計算公式，依據(jù)頂板安全穩(wěn)定性，初步設(shè)計優(yōu)化支護(hù)方案，將原有巷道上部幫角的補(bǔ)強(qiáng)錨桿去除，改變錨桿、錨索的密度。

(3)從各方案比較發(fā)現(xiàn)，方案Ⅲ支護(hù)材料消耗低，每百米巷道少用錨索14根、錨桿136根，節(jié)省施工時間16 h，提高了掘進(jìn)效率，并且各項支護(hù)效果指標(biāo)都與原有支護(hù)相同，錨桿索最大軸力降低5%左右，支護(hù)利用率較高，效果較好。在后期20 m放頂煤采動過程中，5203回采巷道與相鄰巷道的變形都在可控范圍內(nèi)。

[1] 康紅普,王金華,林 健.煤礦巷道錨桿支護(hù)應(yīng)用實例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2010,29(4):649-664.

[2] 盧 熹,李鵬波.沖擊性巷道錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014,42(9):87-90.

[3] 嚴(yán) 石,陳建本.復(fù)雜條件下巷道圍巖控制機(jī)理及支護(hù)技術(shù)[J].煤礦安全,2013(3):71-74.

[4] 康紅普,吳擁政,李建波.錨桿支護(hù)組合構(gòu)件的力學(xué)性能與支護(hù)效果分析[J].煤炭學(xué)報,2010,35(7):1057-1065.

[5] 李 元,劉 剛,龍景奎.深部巷道預(yù)應(yīng)力協(xié)同支護(hù)數(shù)值分析[J].采礦與安全工程學(xué)報,2011,28(2):204-208，213.

[6] 余偉健,馮 濤,王衛(wèi)軍，等.軟弱半煤巖巷圍巖的變形機(jī)制及控制原理與技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2014,33(4):658-671.

2015-04-16)

高 宇(1989—)，男，037000 山西省大同市。