大斷面回采巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王榮剛

（汾西礦業(yè)（集團(tuán)）兩渡煤礦， 山西 靈石 033300）

引言

當(dāng)前在很多的礦區(qū)進(jìn)行厚煤層開采工作時(shí)，通常都會(huì)選擇綜合機(jī)械化一次采全高的回采方法，然而這種回采方法對回采巷道斷面的要求比較高，隨著回采巷道斷面的服務(wù)年限不斷增加，傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)形式已無法滿足回采巷道的要求。雖然很多文獻(xiàn)中都對地下工程支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了介紹，但是針對煤礦大斷面回采巷道支護(hù)技術(shù)的研究文獻(xiàn)卻很少。本文以某礦區(qū)工作面的回采巷道支護(hù)作為研究對象，確定新的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，并取得了較好的支護(hù)效果。

1 工程概況

此礦區(qū)的礦產(chǎn)量為300萬t/年，開采方式為多水平開采，其中3-1煤層作為第一水平，此煤層的結(jié)構(gòu)較為簡單，煤層的傾角在0°～2°之間，煤層厚度為5.5 m，煤層總體上呈東部高、西部低趨勢。其中第一水平的埋深為611 m，標(biāo)高為+660 m。3-1煤層作為當(dāng)前的主要采煤層，層位較為穩(wěn)定，在全區(qū)屬于穩(wěn)定煤層，煤質(zhì)沒有明顯的變化，煤層可采的厚度達(dá)到5.5 m。煤層的頂板主要有粉砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖，呈深灰色和淺灰白色，層理為波狀。巷道的底部主要是砂質(zhì)泥巖，呈深灰色，煤層頂板和巷道底部均夾薄層泥巖。在煤層中布置有回采巷道，巷道斷面呈矩形，斷面的高度和寬度分別為4 m和5.6 m，掘進(jìn)斷面面積為22.4 m2，此巷道采用的支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)。

此工作面輔運(yùn)順槽的支護(hù)方式為錨網(wǎng)索，煤柱幫和巷道頂板采用的錨桿為全螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2 200 mm，頂板布置6根，煤柱幫布置4根，在煤幫上角布置1根螺紋鋼錨桿，錨桿型號(hào)與規(guī)格和前面相同，另外3根采用玻璃鋼錨桿，錨桿型號(hào)與規(guī)格和前面相同，間排距為1 000 mm×1 000 mm。每根錨桿均采用樹脂藥卷，數(shù)量為2塊，型號(hào)為MSCK2350，使用風(fēng)動(dòng)扳手進(jìn)行緊固，保證錨固力超過105kN。頂板采用的錨索規(guī)格為Φ21.6mm×6 200 mm，每排共布置3根，將一根錨索布置在正中位置，其余2根分別布置在正中兩邊的1 600 mm處，間排距為1 600 mm×3 000 mm。

2 支護(hù)優(yōu)化參數(shù)計(jì)算

2.1 錨桿參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1.1 錨桿長度計(jì)算

式中：L為錨桿總長度；L1為露在外面的錨桿長度，取0.15 m；L2為有效長度，等同于普式免壓拱高度b，m；L3為錨桿進(jìn)入巖層的深度，為0.35 m；B為巷道的掘進(jìn)跨度，為5.6 m；H為巷道的高度，為4.0 m；f為頂板巖石的普式系數(shù)，為3.55；ω為兩幫圍巖的內(nèi)摩擦角，為30°。通過計(jì)算可以得出，錨桿的總長度L≥2 050 mm，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工情況以及經(jīng)濟(jì)效益考慮，錨桿的總長度L取2.2 m。

2.1.2 錨桿間排距計(jì)算

式中：L為錨桿長度，取3m；b1為加固拱厚度，取1.2m；α為錨桿的控制角，取40°。通過計(jì)算可以得到錨桿間排距a≤1.51 m，這里取1.0 m。

2.1.3 錨桿直徑計(jì)算

首先假設(shè)錨桿錨固力等同于桿體的破斷力，那么可以得到：

式中：d為錨桿直徑，mm；Q為錨桿錨固力，取132 kN；σt為Ⅱ級(jí)螺紋桿的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，為455 MPa。

通過計(jì)算可以得到錨桿直徑d≥17.78 mm，取18 mm。

2.2 錨索參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 錨索直徑計(jì)算

式中：d1為錨索直徑，mm；Q1為錨索的張緊力，為150 kN；σ′t為鋼絞線的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，為 1 770 MPa。

通過計(jì)算可以得到錨索直徑d1≥9.79 mm。

2.2.2 錨索長度

式中：A為錨索長度，m；A1為錨索露在外面的長度，取0.30 m；k為安全系數(shù)，取2.0；A2為有效長度，等同于免壓拱高b，m；A3為錨入巖層內(nèi)的深度，取1.5m。通過計(jì)算可以得到錨索長度A≥4.65 m。

2.2.3 錨索排距

錨索排距是按照錨桿能夠懸吊的巖層最大質(zhì)量來計(jì)算的。

式中：M為錨索最大排距，m；n為錨索排數(shù)，為1；F2為錨索最大的承載力，為504 kN；B1為巷道的最大冒落寬度，為5.5 m；H1為巷道的最大冒落高度，為2.9 m；γ為巖體的容重，為25 kN/m3；F1為施工部給的錨桿錨固力值，為126 kN；θ為巷道頂板與角錨桿的夾角，為85°。通過計(jì)算可以得到錨索排距為M≤3.4 m。

通過上面的計(jì)算可以得到相應(yīng)的參數(shù)，從而將支護(hù)優(yōu)化方案進(jìn)行確定：大斷面回采巷道支護(hù)方式?jīng)]有發(fā)生改變，依然采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的支護(hù)方式。玻璃鋼錨桿直徑?jīng)]有發(fā)生變化，間排距沒有發(fā)生變化，依然是1 000 mm×1 000 mm。將螺紋鋼樹脂錨桿的直徑改為規(guī)格為Φ18mm的錨桿。頂板錨索的規(guī)格型號(hào)沒有發(fā)生變化，每排改為布置2根錨索，在頂板錨桿和錨索重合處不再進(jìn)行錨桿的布置，將間排距改為3 000 mm×3 000 mm。金屬網(wǎng)使用距沒有發(fā)生改變。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型的建立

該礦井工作面回采巷道利用軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算。建立的模型尺寸為15 m×61.2 m×64 m，設(shè)計(jì)的巷道尺寸為5.6 m×4 m，采用的模型為摩爾庫倫本構(gòu)模型，上部是自由的邊界，下沉自由，四周都是水平約束。此煤層的實(shí)際埋深為600 m，因此在模型的上邊界要施加壓力，施加的壓力值為15 MPa，將過去的支護(hù)方案以及優(yōu)化的支護(hù)方案代入進(jìn)行計(jì)算并對比。

3.2 模擬結(jié)果分析對比

3.2.1 優(yōu)化前支護(hù)方案的模擬結(jié)果分析

通過數(shù)據(jù)模擬分析了解到，采用過去的支護(hù)方案后，在巷道的兩側(cè)都有垂直應(yīng)力形成應(yīng)力集中區(qū)域，整個(gè)區(qū)域大概在巷幫2.8 m的地方，應(yīng)力集中系數(shù)為1.47，應(yīng)力最大時(shí)達(dá)到了22.1 MPa，在巷道形成的應(yīng)力釋放范圍比較大，大概對3 m范圍內(nèi)的區(qū)域都造成影響。巷道整體的變形量比較少，變形的最大值只有23.5 mm，只對0.7 m以內(nèi)的范圍產(chǎn)生了影響，上覆巖層的移動(dòng)量也不超過10 mm，而低估量最大值只有12.7 mm，只對周圍0.7mm以內(nèi)的范圍造成影響。巷道兩幫產(chǎn)生的位移量較少，數(shù)值為8.3mm，移近量只有16.4 mm，只對巷道兩側(cè)0.5 m以內(nèi)的范圍造成影響，具有非常好的支護(hù)效果。

3.2.2 優(yōu)化支護(hù)方案的模擬結(jié)果分析

通過數(shù)據(jù)模擬分析了解到，采用優(yōu)化的支護(hù)方案后，在巷道的兩側(cè)都有垂直應(yīng)力形成應(yīng)力集中區(qū)域，整個(gè)區(qū)域大概在巷幫2.6 m的地方，應(yīng)力集中系數(shù)為1.56，應(yīng)力最大時(shí)達(dá)到了23.4 MPa，在巷道形成的應(yīng)力釋放范圍比較大，大概對2.8范圍內(nèi)的區(qū)域都造成影響。巷道整體的變形量比較小，變形的最大值只有25.4 mm，只對0.7 m以內(nèi)的范圍產(chǎn)生了影響，上覆巖層的移動(dòng)量也不超過10mm，而低估量最大值只有12.5 mm，只對周圍0.7 mm以內(nèi)的范圍造成影響。巷道兩幫產(chǎn)生的位移量也是很少的，只有9.8 mm，移近量只有18.5 mm，只對巷道兩側(cè)0.5 m以內(nèi)的范圍造成影響，支護(hù)效果較好。

通過模擬分析可以了解到，與過去的支護(hù)方案相比，優(yōu)化后的支護(hù)方案不但減小了螺紋鋼錨桿的直徑，同時(shí)增加了錨索間排距，進(jìn)而減少了錨索的使用量，至于玻璃鋼錨桿的使用量沒有發(fā)生變化，結(jié)合回采巷道的使用年限來分析，得出優(yōu)化后的支護(hù)方案比過去的支護(hù)方案更加具有經(jīng)濟(jì)效益。

4 優(yōu)化支護(hù)方案的實(shí)際應(yīng)用效果

為了研究優(yōu)化支護(hù)方案的支護(hù)效果是否與理論效果相當(dāng)，在此回采巷道掘進(jìn)的開始處進(jìn)行了測點(diǎn)1的布置，在掘進(jìn)100 m之后進(jìn)行了測點(diǎn)2的布置，按照每掘進(jìn)100 m就進(jìn)行一個(gè)測點(diǎn)的布置的方式，共進(jìn)行6個(gè)測點(diǎn)的布置，選擇其中的3個(gè)測點(diǎn)變形情況進(jìn)行觀測，共觀測32 d。

通過32 d的現(xiàn)場觀測了解到，在回采巷道應(yīng)用優(yōu)化的支護(hù)方案，在掘進(jìn)完成的初始階段，由于巷道掘進(jìn)的影響，變形量一直處于緩慢增加的趨勢，直到掘進(jìn)完成之后的29 d，變形情況才開始變得穩(wěn)定，巷道兩幫和頂板的位移量分別達(dá)到的最大值為81 mm和62 mm。通過分析得出，此巷道采用優(yōu)化支護(hù)方案之后，使巷道的變形量得到減小，因此此次研究設(shè)計(jì)的優(yōu)化支護(hù)參數(shù)具有合理性，能夠滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

1）如果回采巷道支護(hù)強(qiáng)度比較大的話，可以通過理論計(jì)算的方式選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，并結(jié)合運(yùn)用數(shù)值模擬分析技術(shù)，將錨桿的直徑進(jìn)行適量減小，并減少使用的錨索根數(shù)，在能夠維持巷道穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，對巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，能夠使礦區(qū)巷道支護(hù)成本得到降低。

2）在采用過去的支護(hù)方案時(shí)，雖然能夠取得較好的支護(hù)效果，但是需要使用的錨索數(shù)比較多，因此在維護(hù)支護(hù)效果的情況下，采用優(yōu)化的支護(hù)方案具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。通過在巷道中應(yīng)用優(yōu)化支護(hù)方案，不但回采巷道的變形量沒有發(fā)生太大的改變，還大大節(jié)省了原材料的使用。

3）針對大斷面回采巷道，此次研究設(shè)計(jì)的優(yōu)化支護(hù)參數(shù)不但具有良好的支護(hù)效果，并且有效降低了原材料的使用量以及工作人員勞動(dòng)量的投入，此次回采巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的目標(biāo)。