泰山隆安礦某掘進(jìn)工作面支護(hù)設(shè)計(jì)分析

王 強(qiáng)

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 泰山隆安煤業(yè)有限公司,山西 忻州 036600)

煤礦巷道掘進(jìn)錨桿支護(hù)是掘進(jìn)過程中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，巷道支護(hù)方式由架棚支護(hù)發(fā)展至錨桿支護(hù)，由低強(qiáng)度錨桿支護(hù)發(fā)展至高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)。支護(hù)設(shè)計(jì)方法也逐漸由工程類比發(fā)展至與理論計(jì)算、數(shù)值模擬相結(jié)合[1]. 泰山隆安礦通過對(duì)該礦某掘進(jìn)工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件、地質(zhì)力學(xué)參數(shù)等的分析，計(jì)算出巷道支護(hù)參數(shù)，并通過數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證。

1 支護(hù)數(shù)據(jù)測定

1.1 地質(zhì)條件概況

泰山隆安礦位于河?xùn)|煤田，其11#煤層位于礦井井田南翼，該煤層分為11#上和11#下兩層。根據(jù)鉆孔資料，某掘進(jìn)工作面位于11#下煤層，平均厚度為2 m，直接頂為泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，平均厚度2.2 m；直接頂上方為11#上煤層，平均厚度為1.5 m；11#上煤層上方為泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，平均厚度為8.5 m；直接底為泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，平均厚度5.3 m；基本底為粉砂巖，粗粒結(jié)構(gòu)，平均厚度3.22 m，該掘進(jìn)工作面小斷層發(fā)育。11#煤層地層綜合柱狀見圖1.

圖1 11#煤層地層綜合柱狀圖

1.2 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估

地質(zhì)力學(xué)測試主要研究圍巖所處地質(zhì)力學(xué)條件，常見的測試參數(shù)有垂直應(yīng)力、最大水平應(yīng)力、最小水平應(yīng)力及最大水平應(yīng)力方向。目前，常見的地應(yīng)力測試方法主要有：應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力接觸法、水壓致裂法等。水壓致裂法由于能直接測量絕對(duì)應(yīng)力狀態(tài)，測試空間范圍較大，測量速度快等優(yōu)點(diǎn)，較符合井下實(shí)測[2]，故本次圍巖地質(zhì)力學(xué)測試采用水壓致裂法。

水壓致裂地應(yīng)力測量通常是在巷道圍巖施工鉆孔，在打好的鉆孔中先用主水管將橡膠封隔器送到指定位置，然后注入高壓水，將封隔器脹起，對(duì)兩個(gè)封隔器之間的巖孔封閉。繼續(xù)對(duì)封隔器之間的巖孔進(jìn)行高壓注水，直到將圍巖壓裂，壓裂的方向即最大水平應(yīng)力方向。測點(diǎn)布置圖見圖2，由圖2可知，在某掘進(jìn)巷道布置第一測點(diǎn)，在距離某掘進(jìn)巷道較近處布置第二、三測點(diǎn)。第二、三測點(diǎn)均位于11#上組煤中。地應(yīng)力測量結(jié)果見表1.

圖2 測點(diǎn)布置圖

表1 地應(yīng)力測量結(jié)果表

根據(jù)地應(yīng)力判斷標(biāo)準(zhǔn)：0～10 MPa 為低應(yīng)力區(qū)；10～18 MPa 為中等應(yīng)力區(qū)；18～30 MPa 為高應(yīng)力區(qū)；大于30 MPa 為超高應(yīng)力區(qū)[3].

由表1可知，測點(diǎn)區(qū)域地應(yīng)力場屬于低應(yīng)力區(qū)，支護(hù)難度不大。所有測站最大水平主應(yīng)力均大于垂直主應(yīng)力，屬于σH>σV>σh型應(yīng)力場[4]，在該應(yīng)力場條件下，巷道軸向與最大主應(yīng)力呈某一夾角時(shí)，巷道為最佳布置形式。

最優(yōu)夾角可用下式計(jì)算：

(1)

式中：

α0—巷道軸向與最大主應(yīng)力夾角，(°)；

σH—最大水平主應(yīng)力，MPa，取7.93；

σh—最小水平主應(yīng)力，MPa，取4.28；

σv—垂直應(yīng)力，MPa，取5.05.

通過計(jì)算可知，α0=27.32°. 巷道軸向?yàn)檎?，與最大水平主應(yīng)力方向夾角為19.2°，與最佳布置方位相差8.12°.由相關(guān)研究結(jié)論可知，巷道方向與構(gòu)造應(yīng)力的方向之間的夾角小于25°～30°時(shí)，對(duì)巷道穩(wěn)定性沒有明顯的不良影響[5]. 故地應(yīng)力影響在某掘進(jìn)工作面巷道設(shè)計(jì)中不予考慮。

1.3 巷道圍巖窺視

圍巖結(jié)構(gòu)窺視主要是查看結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度，為錨桿和錨索長度選擇及預(yù)應(yīng)力水平確定提供理論依據(jù)[6].目前，常用的儀器主要有：光導(dǎo)纖維窺視儀和電子窺視儀。由于電子窺視儀具有更高的解相度，更遠(yuǎn)的有效長度及更清晰的影像，故本次窺視采用電子窺視儀進(jìn)行窺視。測點(diǎn)一窺視結(jié)果如下：

1) 頂板0～2 m為泥巖，完整性良好。

2) 2.0～3.7 m為11#上組煤，完整性良好。

3) 3.7～6.1 m為泥巖，在4.9～5.0 m處有裂隙，其余位置完整性較好，局部有泥巖夾層。局部窺視效果圖見圖3.

圖3 局部窺視效果圖

1.4 巷道圍巖強(qiáng)度測試

在測點(diǎn)一處利用圍巖強(qiáng)度測試裝置對(duì)巷道頂板以上及巷幫6.1 m范圍內(nèi)的煤巖體進(jìn)行了原位強(qiáng)度測試。測試數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)、分析和換算后可知：頂板0～2 m為砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度平均值為90.61 MPa；2.1～3.7 m為11#上組煤，強(qiáng)度平均值為22.10 MPa；3.8～6.1 m為砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度平均值為83.92 MPa. 測點(diǎn)一煤巖強(qiáng)度測試結(jié)果見圖4.

圖4 測點(diǎn)一煤巖強(qiáng)度測試結(jié)果圖

根據(jù)圖4，可對(duì)某掘進(jìn)工作面提供以下參考依據(jù)：

1) 11#下組煤直接頂為泥巖，單軸抗壓強(qiáng)度為90.61 MPa，強(qiáng)度較高，有利于錨桿預(yù)緊力和支護(hù)阻力的擴(kuò)散，結(jié)合圍巖窺視結(jié)果分析，該巖層自身承載能力好，有利于保持巷道頂板穩(wěn)定。

2) 11#下組煤頂板巖層結(jié)構(gòu)較多，錨桿盡量錨至11#上組煤，錨索錨至11#上組煤頂板。

1.5 支護(hù)參數(shù)計(jì)算及驗(yàn)證

結(jié)合現(xiàn)有施工材料，初步選取錨桿長度為2.4 m，錨索長度為5.3 m.

1) 錨桿長度計(jì)算。

L錨桿=L1+L2+L3

(2)

式中：

L1—外露長度，m，取0.1；

L2—錨桿自由端長度，m；

L3—錨桿深入穩(wěn)定巖層長度，m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值0.3[7].

L2根據(jù)加固拱理論，可知經(jīng)驗(yàn)公式：

L2=N(1.1+B/10)=1.76 m

(3)

式中：

N—圍巖穩(wěn)定影響系數(shù)，m，一般為0.9～1.2，取系數(shù)1.1；

B—巷道跨度，m，取5.

綜上，L錨桿=2.16 m，即錨桿長度不得小于2.16 m.

2) 錨索長度計(jì)算。

L錨索=La+Lb+Lc+Ld

(4)

式中：

La—錨索深入到穩(wěn)定巖層的錨固長度，m；

Lb—需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，m，取2；

Lc—托板及錨具的厚度，m，取0.16；

Ld—外漏張拉長度，m，取0.3.

La根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，可知：

(5)

式中：

K—安全系數(shù)，取4；

d1—錨索直徑，mm，取17.8；

fa—錨索抗拉強(qiáng)度，N/mm2；取1 860；

fc—錨索與錨固劑的黏結(jié)強(qiáng)度，N/mm2，取15.

綜上，L錨索=4.66 m，即錨索長度不得小于4.66 m.

通過計(jì)算可知，錨桿長度=2.16 m<2.4 m，錨索長度=4.66 m<5.3 m，初步選取的錨桿、錨索長度符合要求，且在不考慮其他因素的條件下，兩者長度可適當(dāng)減短。由圍巖巷道窺視結(jié)果可知，頂板4.9～5.0 m處有裂隙，故錨索的長度不減短；由圖1,3可知，11#下組煤直接頂厚度是不斷變化的，為保證錨桿盡量錨至11#上組煤，錨桿取大值2.4 m.即，錨桿長度為2.2 m，錨索長度為5.3 m.

3) 支護(hù)方式。

某掘進(jìn)工作面為矩形斷面，沿11#下組煤底板掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度5.0 m，高度2.7 m，掘進(jìn)斷面積為13.5 m2.

錨桿布置：錨桿排距1 100 mm，間距1 100 mm. 每排5根錨桿。

錨索布置：排距2 200 mm，間距1 800 mm，五花布置。

2 支護(hù)方式分析

FLAC3D軟件在解決煤礦巷道設(shè)計(jì)問題上有一定的實(shí)用性[8]，一般情況下，支護(hù)設(shè)計(jì)分析主要采用其自帶的CABLE單元。即通過FISH語言對(duì)錨桿、錨索賦值模擬預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索。

根據(jù)上述內(nèi)容可知：某掘進(jìn)巷道最佳布置方位與最大水平主應(yīng)力方向相差8.12°，巷道變形受最大水平主應(yīng)力影響，但影響較小。故數(shù)值模擬中不予以考慮。

2.1 模型范圍及邊界條件

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，建立模型尺寸為30 m×10 m×27 m的FLAC3D數(shù)值模型。根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)，模型X軸方向施加7.93 MPa的應(yīng)力；模型Y軸方向施加5.05 MPa的應(yīng)力；模型Z軸方向施加4.28 MPa的應(yīng)力[9]. 考慮建模需求煤巖層賦存情況測定了煤巖物理參數(shù)，見表2.

表2 模型煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 支護(hù)合理性分析

由數(shù)值模擬可知：巷道頂板最大下沉量5 mm，巷道最大底鼓量3 mm，巷道頂板下沉量大于底鼓量，最大變形位置在巷道的頂板中部；兩幫移近量基本相同，均為4 mm，移近量最大處均在兩幫中上部。初始模型圖見圖5，巷道頂?shù)装遄冃瘟恳妶D6，巷道兩幫變形量見圖7.

綜上，支護(hù)后巷道整體位移量很小，能滿足巷道的使用要求，說明巷道的支護(hù)方式在強(qiáng)度上能滿足工程實(shí)踐需求。

圖5 初始模型圖

圖6 巷道頂?shù)装遄冃瘟繄D

圖7 巷道兩幫變形量圖

3 結(jié) 論

1) 采用水壓致裂法對(duì)巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)進(jìn)行測量，得出巷道布置方向與最大水平主應(yīng)力方向夾角為19.2°，對(duì)巷道穩(wěn)定性沒有明顯的不良影響。

2) 對(duì)巷道圍巖進(jìn)行窺視，查看結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度，發(fā)現(xiàn)在4.9～5.0 m處有裂隙。

3) 對(duì)巷道圍巖強(qiáng)度進(jìn)行測試，可以判斷11#下組煤直接頂抗壓強(qiáng)度較高，有良好的承載性；11#下組頂板煤巖層較多，應(yīng)盡量將錨桿錨至11#下組煤，錨索錨至11#上組煤頂板。并經(jīng)理論計(jì)算，結(jié)合實(shí)際情況，確定錨桿長度為2.2 m，錨索長度為5.3 m，并提出了支護(hù)方式。

4) 對(duì)上述支護(hù)方式進(jìn)行數(shù)值模擬可知：巷道頂板最大下沉量5 mm，巷道最大底鼓量3 mm，巷道頂板下沉量大于底鼓量，最大變形位置在巷道的頂板中部；兩幫移近量基本相同，均為4 mm，移近量最大處均在兩幫中上部。在強(qiáng)度上能滿足工程實(shí)踐需求。