大斷面直墻半圓拱煤巷支護(hù)錨桿參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

樊曉飛

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 山西 晉城 048006)

近年來(lái)，隨著煤炭淺部埋藏資源的日益枯竭，井田開(kāi)采深度呈現(xiàn)出逐年加深的趨勢(shì)[1-2]. 對(duì)于深部煤炭資源的開(kāi)采，由于高應(yīng)力環(huán)境的存在，造成了巷道圍巖支護(hù)更加困難[3-4]. 尤其是工作面兩側(cè)的煤巷因?yàn)槊后w的物理力學(xué)性能參數(shù)較巖層要小很多，因此存在煤層巷道圍巖較為破碎、支護(hù)困難等問(wèn)題[5].

1 工程地質(zhì)概況

甘肅西部某礦主采15號(hào)煤層埋深超過(guò)600 m，采深較大，五采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層賦存條件較穩(wěn)定，煤層平均傾角為8°，屬于近水平煤層。所采煤層平均厚度為4.0 m，普氏系數(shù)為1.37，采用綜合機(jī)械化一次采全高的開(kāi)采方式。15號(hào)煤層上方存在堅(jiān)硬厚層中砂巖頂板，可視作基本頂，煤層上方覆巖層的復(fù)合彎曲能指數(shù)為173.3 kJ，具有強(qiáng)沖擊傾向性。15號(hào)煤層本身單軸抗壓強(qiáng)度為16.2 MPa，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間為255 ms，沖擊能指數(shù)為1.41，彈性能指數(shù)為3.58，綜合判定為強(qiáng)沖擊傾向煤層。目前五采區(qū)內(nèi)采掘工作面的平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1.

圖1 五采區(qū)內(nèi)采掘工作面平面位置示意圖

2 巷道原支護(hù)方案評(píng)價(jià)

2.1 原支護(hù)方案及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

由圖1可知，目前五采區(qū)內(nèi)正在掘進(jìn)051508機(jī)巷，而此前掘進(jìn)051508回風(fēng)巷時(shí)數(shù)次出現(xiàn)礦壓動(dòng)力顯現(xiàn)，其中較為嚴(yán)重的礦壓動(dòng)力顯現(xiàn)造成了巷道錨索的拉斷、兩幫內(nèi)擠變形嚴(yán)重、肩窩位置出現(xiàn)吊包等情況。這一系列的礦壓動(dòng)力顯現(xiàn)說(shuō)明目前巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境較為復(fù)雜，現(xiàn)有支護(hù)方式無(wú)法滿足巷道安全高效的掘進(jìn)，在后續(xù)回采階段受劇烈擾動(dòng)的影響，更加無(wú)法滿足工作面的安全生產(chǎn)要求。

051508機(jī)巷原支護(hù)方案及相關(guān)錨網(wǎng)索參數(shù)見(jiàn)圖2.

圖2 原支護(hù)方案參數(shù)圖

由圖2可知，巷道采用直墻半圓拱掘進(jìn)方式，其支護(hù)后的橫截面尺寸為長(zhǎng)4.8 m×高3.9 m. 巷道頂板每排選用7根螺紋鋼錨桿(d22 mm×2 200 mm)呈對(duì)稱性布置，兩幫每排各選用3根圓鋼錨桿(d16 mm×1 800 mm)同樣呈對(duì)稱性布置，其間排距均為800 mm×800 mm. 關(guān)于頂錨桿和兩幫錨桿均采用端錨形式，不同之處在于頂部錨桿選用一卷CK2355型和一卷Z2355型樹(shù)脂錨固劑進(jìn)行錨固施工，而幫部錨桿選用兩卷Z3537型樹(shù)脂錨固劑進(jìn)行錨固施工，并對(duì)頂板每排選用2根鋼絞線錨索(d21.6 mm×5 000 mm)，其沿巷道中心軸呈現(xiàn)對(duì)稱性布置。錨索間排距為3 000 mm×1 600 mm，采用一卷CK2355型和一卷Z2355型樹(shù)脂錨固劑進(jìn)行端頭錨固。巷道表面所鋪設(shè)的錨網(wǎng)選用鋼筋(d6.5 mm)加工制成，其網(wǎng)孔呈現(xiàn)菱形狀(150 mm×150 mm). 由于煤巷表面較為破碎，為了防止松散破碎的煤體致使錨網(wǎng)索支護(hù)范圍內(nèi)出現(xiàn)錨網(wǎng)變形、兜煤渣等情況，影響錨桿、索的支護(hù)效果，在巷道表面進(jìn)行噴漿處理，最終在巷道表面形成厚度為50 mm的混凝土噴層(配比為1∶2∶2).

2.2 原支護(hù)方案模擬研究

2.2.1三維模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維模型，對(duì)地下采掘空間圍巖在支護(hù)作用下的應(yīng)力環(huán)境及變形破壞情況進(jìn)行模擬研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有支護(hù)方案支護(hù)效果的評(píng)價(jià)[6-7]. 以051508機(jī)巷工程地質(zhì)條件為背景，所建立的模型尺寸為長(zhǎng)30 m×寬20 m×高30 m，模型四周邊界施加水平方向約束，底部邊界施加垂直方向約束。在模型上表面根據(jù)埋深情況等價(jià)施加大小為14.8 MPa的均布載荷力。所建模型采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則作為煤巖體材料屈服判據(jù)，而模型中煤巖層的力學(xué)參數(shù)賦值情況見(jiàn)表1.

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)表

巷道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)中的錨網(wǎng)索所采用的的結(jié)構(gòu)單元模型為cable和shell，具體力學(xué)性能和幾何參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 錨桿索結(jié)構(gòu)單元力學(xué)和幾何參數(shù)表

根據(jù)表1和表2中的相關(guān)參數(shù)，并結(jié)合圖2建立三維數(shù)值模型,見(jiàn)圖3.

圖3 三維數(shù)值模型圖

2.2.2模擬結(jié)果及分析

對(duì)所建立的三維數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)算，模擬所得到的巷道圍巖在原支護(hù)方案作用下的位移場(chǎng)見(jiàn)圖4.

圖4 巷道圍巖位移場(chǎng)云圖

由圖4可知，巷道圍巖在頂板位置處的徑向和水平位移場(chǎng)均高于其他區(qū)域，說(shuō)明此位置巷道圍巖變形較大。除此之外，巷道直拱墻的上部區(qū)域也呈現(xiàn)出較大的徑向和水平位移場(chǎng)。這表明在原有支護(hù)方案下，051508機(jī)巷支護(hù)效果存在較為薄弱的部位，即巷道的頂板位置以及兩幫上側(cè)位置處容易在高圍巖應(yīng)力環(huán)境下發(fā)生變形破壞，影響巷道圍巖的維護(hù)效果。

同理，可以得到巷道圍巖在原支護(hù)方案作用下的塑性區(qū)分布情況，見(jiàn)圖5.

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律圖

對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍進(jìn)行重點(diǎn)分析，因?yàn)榇藚^(qū)域表示圍巖體單元正在或者曾經(jīng)發(fā)生了剪切破壞。由圖5可知，巷道圍巖塑性破壞較為嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)橄锏缼筒可蟼?cè)，破壞深度較大，其次為頂板位置處。這與圖4所示位移場(chǎng)變化規(guī)律吻合性一致，表明了現(xiàn)有支護(hù)方案確實(shí)存在一定的不足性，嚴(yán)重威脅到巷道后續(xù)的安全掘進(jìn)。

3 巷道圍巖支護(hù)錨桿參數(shù)優(yōu)化

基于巷道掘進(jìn)施工期間存在的原有支護(hù)方案對(duì)圍巖的控制效果不佳等問(wèn)題，結(jié)合數(shù)值模擬得出的圍巖破壞較為嚴(yán)重的區(qū)域分布規(guī)律，提出了6種對(duì)支護(hù)錨桿的改進(jìn)措施，見(jiàn)表3.

表3 巷道圍巖支護(hù)錨桿優(yōu)化方案表

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)優(yōu)化后的6種支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，可以得到不同支護(hù)錨桿參數(shù)優(yōu)化作用下巷道圍巖較原有支護(hù)方案圍巖變形增減幅度情況，見(jiàn)圖6.

圖6 不同支護(hù)優(yōu)化方案作用下圍巖變形增減幅度圖

由圖6可以看出，相較于原有支護(hù)方案作用下圍巖的變形情況，優(yōu)化后的方案對(duì)于頂板的影響效果不明顯，甚至優(yōu)化后頂板變形量略有小幅度增加；而對(duì)于巷道變形較為嚴(yán)重的左、右兩幫，優(yōu)化后的方案3和方案6對(duì)其控制效果較好，使幫部圍巖變形減小幅度較大，且對(duì)底板圍巖變形的影響同樣為方案3和方案6最為突出；對(duì)比方案3和方案6可知，方案6對(duì)頂錨桿和幫錨桿均進(jìn)行了調(diào)整，且對(duì)錨索布置方式進(jìn)行了優(yōu)化，整體上對(duì)巷道圍巖變形的控制效果要優(yōu)于方案3。因此，最終確定采用方案6的支護(hù)方式作用于后續(xù)巷道施工。

4 工程實(shí)踐

051508機(jī)巷后續(xù)掘進(jìn)期間，采用優(yōu)化后的方案6對(duì)巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)，并采用十字觀測(cè)法[8]對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置位置見(jiàn)圖7.

圖7 十字礦壓監(jiān)測(cè)法圖

通過(guò)間隔50 m布置一組礦壓觀測(cè)點(diǎn)對(duì)優(yōu)化后的支護(hù)方案進(jìn)行監(jiān)測(cè)，3組測(cè)點(diǎn)(其中Y1#、Y2#數(shù)據(jù)為原支護(hù)方案監(jiān)測(cè)所得，Y3#數(shù)據(jù)為優(yōu)化后支護(hù)方案監(jiān)測(cè)所得)所測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8.

圖8 巷道圍巖礦壓觀測(cè)結(jié)果圖

由圖8可知，051508機(jī)巷在采取優(yōu)化支護(hù)方案前后，巷道圍巖變形規(guī)律基本均呈現(xiàn)為初始高速變形階段、中間過(guò)渡變形階段及最后基本穩(wěn)定階段3個(gè)過(guò)程。從巷道頂板、左右兩幫圍巖變形穩(wěn)定后的對(duì)比數(shù)據(jù)看出，采取優(yōu)化支護(hù)方案后，巷道頂板變形量只有23 mm左右，左幫變形量只有21 mm左右，右?guī)妥冃瘟恐挥?9 mm左右，整體巷道圍巖變形控制效果較為均勻，較原有支護(hù)方案對(duì)圍巖支護(hù)控制效果提升顯著，巷道圍巖整體變形量較小，有利于后續(xù)工作面的安全生產(chǎn)。原有支護(hù)方案中煤柱幫Y1#、Y2#數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果差異性較大，見(jiàn)圖8c)，這是因?yàn)閅2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)處煤柱幫內(nèi)存在較高的應(yīng)力集中。

5 結(jié) 論

1) 甘肅西部某礦在高應(yīng)力環(huán)境下掘巷期間存在較為嚴(yán)重的礦壓動(dòng)力顯現(xiàn)情況，現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果表明原有支護(hù)方案存在一定的支護(hù)缺陷性。

2) 基于原有支護(hù)方案以及051508機(jī)巷圍巖地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)原有支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行了模擬研究，并通過(guò)圍巖位移和塑性區(qū)變化情況分析了原有支護(hù)方案存在對(duì)巷道兩幫上部和頂部支護(hù)效果欠佳的問(wèn)題。

3) 基于原有支護(hù)方案存在的問(wèn)題，提出了6種改進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并分別模擬了其對(duì)巷道圍巖的控制效果，最終確定了采取方案6作為后續(xù)掘進(jìn)施工的優(yōu)化方案?，F(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，優(yōu)化后的方案6能夠有效控制巷道頂板下沉，減弱兩幫變形量，巷道圍巖控制效果顯著。