山西常村煤礦S5軌道下山支護(hù)方案優(yōu)化

郜富平　李政岱

(1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司常村煤礦；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院)

對(duì)巷道進(jìn)行有效支護(hù)，不僅有助于提高巷道掘進(jìn)速度，而且對(duì)于確保煤礦安全開采大有裨益[1-4]。山西常村煤礦S5延伸采區(qū)軌道下山設(shè)計(jì)采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方案后，巷道礦壓監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)巷道變形量較大，錨桿、錨索的支護(hù)作用并未得到有效發(fā)揮。本研究結(jié)合該礦已建巷道的成功支護(hù)案例，對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，并采用FLAC3D數(shù)值模擬分析方法以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法對(duì)優(yōu)化方案的支護(hù)效果進(jìn)行分析。

1　工程概況

常村煤礦S5延伸采區(qū)軌道下山主要用于S5延伸采區(qū)輔助運(yùn)輸，東接S5軌道下山延伸段，南鄰S5延伸采區(qū)皮帶下山，北鄰S5延伸采區(qū)2#回風(fēng)下山。巷道沿3#煤層頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)1 910.48 m，斷面為矩形，寬5.3 m，高3.7 m，凈斷面面積為19.61 m2。根據(jù)工作面西部鉆孔揭露，S5延伸采區(qū)軌道下山圍巖巖性特征見表1。

2　S5軌道下山原支護(hù)方案分析

S5軌道下山設(shè)計(jì)采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方案，巷道支護(hù)斷面如圖1所示。

(1)頂板支護(hù)。巷道頂板采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方式，每排布置6根錨桿，間距960 mm，排距1 000 mm，長(zhǎng)度2.4 m。錨索長(zhǎng)度為6.3 m，采用“小五花”布置。采用3根錨索支護(hù)時(shí)，在巷道正中布置1根錨索，距離巷道正中1 450 mm左右各布置1根錨索；采用2根錨索支護(hù)時(shí)，錨索分別距離巷道正中1100mm，距離巷幫1500mm。打設(shè)方向上，最外側(cè)2根錨桿傾斜25°打設(shè)，其余錨桿、錨索全部垂直于巷道頂板打設(shè)。此外，雙鋼筋托梁型φ16 mm，長(zhǎng)5 100 mm，寬960 mm，間距120 mm(6眼)。網(wǎng)片規(guī)格為5 700 mm×1 100 mm，網(wǎng)格規(guī)格為30 mm×30 mm，材質(zhì)為10#鉛絲，用16#鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相聯(lián)。

表1　S5延伸采區(qū)軌道下山圍巖巖性特征

(2)巷幫支護(hù)。每排每幫布置4根錨桿，幫頂角錨桿距頂為300 mm，幫底角錨桿距底為400 mm，錨桿間距1 000 mm，排距1 000 mm。雙鋼筋托梁φ14 mm，長(zhǎng)3 300 mm，寬1 000 mm，間距105 mm(4眼)。網(wǎng)片規(guī)格為3 600 mm×1 100 mm，網(wǎng)格規(guī)格為30 mm×30 mm，材質(zhì)為10#鉛絲，用16#鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相聯(lián)。

(3)材料參數(shù)。錨桿型號(hào)均為NMG-2224，桿體強(qiáng)度為500#，長(zhǎng)度為2.4 m，桿尾螺紋型號(hào)為M24。錨索材料為φ22 mm、1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，延伸率為7%，鉆孔φ30mm，錨索規(guī)格為S5軌道下山在掘進(jìn)支護(hù)過程中，對(duì)巷道表面位移、錨桿(索)軸力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果見圖2、圖3。分析圖2、圖3可知：巷道頂板最大下沉量為77 mm；右巷幫最大收斂量為83 mm，左巷幫最大收斂量為55 mm。巷幫收斂呈現(xiàn)不對(duì)稱發(fā)展，巷道變形量超過50 mm的控制要求；頂板錨桿、左幫錨桿、右?guī)湾^桿和錨索的軸力分別達(dá)到77，95，71，177 kN，可見巷道原支護(hù)方案中，錨桿、錨索的支護(hù)作用并未有效發(fā)揮出來。

圖1　S5軌道下山原支護(hù)方案斷面支護(hù)示意(單位：mm)

φ22 mm× 6 300 mm。錨索預(yù)應(yīng)力不小于250 kN，考慮漲拉損失，漲拉時(shí)執(zhí)行超漲拉，錨索初漲拉力不低于300 kN。

圖2　巷道表面位移變化特征

3　常村煤礦巷道支護(hù)案例分析

綜合分析常村煤礦巷道成功支護(hù)案例(表2)[5-11]可知：該礦巷道大都采用4根長(zhǎng)度均為2 400 m的φ22 mm錨桿加固，間距為800～900 mm，排距為900～1 000 mm；頂板錨索布置方式有“小五花”、“大五花”、“小三花”和雙錨索4種方式，錨索長(zhǎng)度有4300，6300，7300mm 3種；頂板錨桿為φ22 mm×2 400 mm左螺旋螺紋鋼，間距分別為900，960，1 100 mm，排距分別為1 000，2 000 mm。

圖3　巷道錨索、桿軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

4　S5軌道下山巷道支護(hù)方案優(yōu)化

結(jié)合常村煤礦已有的巷道成功支護(hù)案例以及該礦S5軌道下山巷道圍巖表面位移及錨桿(索)軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果，本研究對(duì)該巷道原支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化(圖4)。優(yōu)化方案中，錨桿的長(zhǎng)度、間排距均保持不變，但所有錨桿均垂直于頂板打設(shè)；錨索布置方式采用“大五花”方式，采用3根錨索支護(hù)時(shí)，在巷道正中布置1根，其余2根錨桿分別布置于巷道最外側(cè)錨桿軸線位置處，并傾斜25°打設(shè)；采用2根錨索支護(hù)時(shí)，錨索布置方式與原支護(hù)方案一致；將所有錨索的初張拉力提高至350 kN。

為詳細(xì)分析該優(yōu)化方案的合理性，本研究采用FLAC3D數(shù)值軟件對(duì)原支護(hù)方案和優(yōu)化支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行了對(duì)比分析。模型尺寸為45.3 m×36 m×4 m(長(zhǎng)×寬×高)，根據(jù)巷道開挖造成的應(yīng)力重新分布影響范圍，巷道周圍建立較為密集的網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度，模型共劃分為8080個(gè)單元，10 602 個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖5)。模型左邊界、右邊界和底側(cè)采用法向約束，頂面根據(jù)巷道埋深施加法向應(yīng)力。根據(jù)前期的力學(xué)試驗(yàn)，S5軌道下山的煤巖體力學(xué)參數(shù)見表3。

表2　常村煤礦已建巷道成功支護(hù)方案[5-11]

圖4　S5軌道下山優(yōu)化支護(hù)方案(單位：mm)

分析圖6可知，原支護(hù)方案下，巷道頂板最大下沉量約為78.47 mm，巷幫最大收斂值呈對(duì)稱分布，最大收斂量為71.57 mm，數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的變形值非常接近。

分析圖7可知：支護(hù)方案優(yōu)化后，巷道頂板最大下沉量降低至49.2 mm，巷道兩幫最大收斂量降低至41.67 mm，巷道變形得到了有效控制。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該優(yōu)化方案的合理性，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)優(yōu)化支護(hù)方案進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)(試驗(yàn)段巷道長(zhǎng)度為20m)并監(jiān)測(cè)了巷道圍巖表面位移。采用優(yōu)化方案進(jìn)行支護(hù)后，試驗(yàn)段巷道頂板最大下沉量為42 mm，兩幫最大收斂量約為48 mm。

圖5　S5延伸采區(qū)軌道下山巷道數(shù)值計(jì)算模型

巖性體積模量/GPa剪切模量/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)密度/(kg/m3)粉砂巖5.313.501.400.3139.82600泥巖1.341.090.820.2829.224703#煤層0.350.150.130.2232.51406細(xì)砂巖14.006.462.200.3744.62686

圖6　采用原方案支護(hù)后的巷道變形特征

圖7　采用優(yōu)化支護(hù)方案后的巷道變形特征

5　結(jié)　語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)山西常村煤礦S5軌道下山原設(shè)計(jì)方案的支護(hù)效果進(jìn)行了分析。通過對(duì)原方案進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，并采用FLAC3D數(shù)值模擬分析、現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)方法對(duì)其合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：采用優(yōu)化方案進(jìn)行支護(hù)后，巷道圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制。

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