掘進工作面支護優(yōu)化探討

王 濤

(山西煤炭運銷集團壽陽亨元煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400)

煤礦礦井開挖施工改變了應(yīng)力分布的狀態(tài)，如工作人員不能采取有效的支護措施，就會增大圍巖位移和變形的機率，從而威脅生產(chǎn)安全，甚至造成嚴重的安全事故。因此，支護工作勢在必行。

1 工程概況

某煤礦工作面傾斜長度為175 m，總長度為1 500 m，工作面面積為284 316 m2，煤層平均厚度為4.1 m，處于近水平煤層。采用綜合機械化采煤方式。在采煤的過程中應(yīng)始終堅持以此采全高、全部垮落的原則，于工作面東西兩側(cè)設(shè)置掘進巷道，巷道斷面呈矩形，巷道斷面的高度為4.5 m，寬度為5.1 m。巷道挖掘時存在著明顯的問題。

一是循環(huán)進尺較小，循環(huán)進尺內(nèi)僅掘進3排。掘進需要較長的時間，日進尺較小，效率較低。二是支護施工中會消耗較多時間，且分段施工時間較長，增加了單個循環(huán)內(nèi)的時間消耗。三是掘進過程中造成大量的資源消耗，需要投入較高的施工成本。上述問題影響了巷道掘進效率，原有的支護方案不利于巷道掘進作業(yè)的開展。

2 測定煤巖物理力學(xué)參數(shù)

在理論計算和設(shè)計過程中，煤與巖石物理力學(xué)參數(shù)起到十分重要的作用，煤炭與巖石分類中，該參數(shù)也是重要的依據(jù)，試驗人員應(yīng)當(dāng)加大研究力度。應(yīng)用專業(yè)的電液伺服巖石試驗系統(tǒng)研究15#煤與煤上敷衍層力學(xué)性質(zhì)，利用巴西劈裂試驗、單軸壓縮試驗及常規(guī)三軸壓縮試驗，確定煤與巖石關(guān)鍵物理力學(xué)參數(shù)，這也成為了支護參數(shù)計算和支護方案設(shè)計的基礎(chǔ)。

3 巷道錨桿索支護參數(shù)的調(diào)整

3.1 參數(shù)模擬

指定巷道開展數(shù)值模擬，加大模型水平位移的控制力度，同時確保模型能夠?qū)崿F(xiàn)底層自由下沉。模型底部固定方向未出現(xiàn)位移，且上部主要為自由界限，設(shè)計人員需在應(yīng)力變化的基礎(chǔ)上，對其加以控制和調(diào)整。確定邊界加載條件時，設(shè)計人員可根據(jù)實際控制模型周圍尤其是邊緣位置的水平位移量，且下方邊界的活動范圍也是設(shè)計人員限制的重點。工作人員應(yīng)適度調(diào)整模型水平位移和垂直位移量。再者，模型的底部邊緣對垂直方向的移動范圍具有一定的影響，但是水平方向上的位移相對自由，不會受到外界因素的限制。且模型左右邊緣位置也能夠限定左側(cè)和右側(cè)的位移，但是垂直方向上則不受限制。兩側(cè)與底部邊緣采取相同方向的轉(zhuǎn)動控制。模型上部邊界可視為應(yīng)力邊界，上覆巖層的重力影響數(shù)值與應(yīng)力數(shù)值相等[1]。

3.2 參數(shù)模擬方案的編制

該煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要是由泥巖和石灰?guī)r兩部分組成的，且土質(zhì)分布呈現(xiàn)不均勻特性，泥漿最小厚度約為0 m，最大為2.38 m，因此，頂板錨桿錨固區(qū)通常分為四種情況。工作人員可結(jié)合頂板實際確定參數(shù)和支護方式，在諸多方案中選擇最優(yōu)的設(shè)計方案。

方案1：如泥漿厚度超過2.1 m，且錨固段不在指定的灰?guī)r當(dāng)中，則泥巖較厚。工作人員要以錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護的方式完成支護施工。選用直徑為0.02 m，長為2.5 m的錨桿，頂部錨桿要保持0.8 m×1.2 m的間排距，幫錨桿應(yīng)保持1.1 m×1.2 m的間排距，錨索的長為5 m，錨索直徑0.018 1 m，同時其沿巷道頂板中部位置布置，排距設(shè)為2.5 m[2]。

方案2：泥巖厚度為1.6 m～2.1 m，錨固段處于指定灰?guī)r之中，但灰?guī)r厚度不足500 mm，此時泥巖的厚度不大，頂部錨桿的排間距可設(shè)置為1.0 m×1.2 m，錨索的長度可由5.0 m變?yōu)?.5 m。

方案3：如泥漿厚度不足1.6 m，錨固段的距離較長時，則泥巖較薄，工作人員需采用錨網(wǎng)+有效的支護措施完成支護施工，頂部錨桿的排間距為1.0 m×1.2 m,錨索長度為4 m。

方案4：如泥巖的厚度為0 m，則可將作業(yè)的會巖層視作巷道的直接定，這種情況下，頂板的硬度較大，不存在泥巖，所以不能夠開展錨索支護的設(shè)置工作，并要求合理管控頂部錨桿的間距距離，保證其與原設(shè)計相同。

3.3 應(yīng)力分布參數(shù)模擬結(jié)果

在巷道開挖作業(yè)中，圍巖的應(yīng)力分布方式發(fā)生了改變，頂板部分釋放了較多應(yīng)力，使兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力集中位置處于巷道壁位置。而巷道的水平應(yīng)力主要為蝶形分布，兩幫水平應(yīng)力也得以釋放，造成巷道上方應(yīng)力集中的問題。應(yīng)力數(shù)值分析中會得出，四種方案最大水平應(yīng)力、最大垂直應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)等重要數(shù)值[3]。

經(jīng)過高精度分析，當(dāng)巷道頂板泥巖厚度逐漸變小后，整體支護強度也會逐漸降低，這時巷道頂板位置的垂直應(yīng)力會上升，前三種方案的水平應(yīng)力則會隨著巷道頂板泥巖厚度的減小而有所降低。對此，需適度縮短錨索的長度，擴大錨桿間距，增加圍巖的垂直應(yīng)力。且保持各項重要參數(shù)不發(fā)生明顯變化。方案4在與方案2對比中，垂直應(yīng)力發(fā)生變化，而與方案3對比中，垂直應(yīng)力則呈現(xiàn)變小趨勢，不過支護效果并未存在明顯變動。

3.4 位移參數(shù)模擬結(jié)果

在研究不同巷道的泥巖厚度、支護方式及垂直位移變化情況后，得出方案1的最大下沉量為24.3 mm，最大底鼓量17.1 mm，頂?shù)装逦灰?1 mm，巷幫最大位移34.5 mm，兩幫移近量68.2 mm。依據(jù)方案2給出的各項數(shù)據(jù)，頂板最大下沉量26.2 mm，最大底鼓量15.3 mm，頂?shù)装逦灰?2 mm，巷幫最大位移量34.5 mm,幫移近量68.1 mm；在方案3中頂板最大下沉量30.5 mm，最大底鼓量為15.5 mm，頂?shù)装逡平?5 mm，巷幫部位的最大位移可達到34.8 m左右，兩幫間的距離縮小68.2 mm。而在方案4中，頂板最大沉降量達到了22.8 m。底鼓最大值為12.5 mm，頂板與底板間距變動了35 mm左右，巷幫及兩幫的距離分別變?yōu)?5 mm和69.4 mm。

在分析和研究后，工作人員發(fā)現(xiàn)巷道頂板泥巖厚度與支護強度成負相關(guān)關(guān)系，且巷道圍巖垂直位移也與巷道頂板泥巖的厚度成負相關(guān)關(guān)系，而水平位移的變化則并不明顯。方案1、方案2和方案3的泥漿厚度明顯下降，工作人員在縮小錨索長度，延長錨桿距離后，圍巖的位移量有所增加[4]。不同方案的頂板位移量變化并不明顯，兩幫的移近量基本無差異。方案4中底板位移量較方案1少，而兩幫的位移量則明顯增加。該措施在加強頂板控制效果的同時，也改進了兩幫的控制效果。

4 現(xiàn)場觀測要點

4.1 布置觀測點

在巷道支護中采用了優(yōu)化支護方式，且工作人員對頂板及兩幫表面位移實行為期一個月的動態(tài)監(jiān)測。以100 m為試驗巷道長度，任意設(shè)一點，并將其作為試驗巷道的起點，自此設(shè)置測點，測點之間的距離為20 m，共設(shè)有4個測點，按照測點的位置做好標號。標號后應(yīng)使用十字測量的方式完成觀測工作。在巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷闹悬c設(shè)置4個測點，單個測點上設(shè)置橫豎2條測線。

4.2 支護施工的整體效果

通過對回風(fēng)順槽巷道兩幫及頂?shù)装逦灰屏砍掷m(xù)一個月的觀察分析了解到，回風(fēng)順槽巷道梁板的最大位移量達到68 mm，該數(shù)據(jù)出現(xiàn)在2號測點。經(jīng)為期一個月的觀察，兩幫穩(wěn)定，頂?shù)装鍞D壓最大位移量出現(xiàn)在3號測點，其最大位移量為42 mm，經(jīng)42天的觀察，頂?shù)装逡廊皇址€(wěn)定。

5 討論

該煤層中，泥漿和石灰?guī)r結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不均勻分布現(xiàn)象，所以在巷道頂板錨固時，需從多方面進行考量，工作人員采用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件對4種不同情況進行巷道支護概況模擬。模擬后發(fā)現(xiàn)，在4種情況下應(yīng)用對應(yīng)的4套參數(shù)能夠滿足安全生產(chǎn)要求，且巷道圍巖的變形量在合理區(qū)間內(nèi)[5]。

在全方位現(xiàn)場實測后，巷道底板位置最大的位移量達68 mm，兩幫的最大位移量則為42 mm，頂?shù)椎淖冃温屎蛢蓭偷淖冃嗡俾瘦^小，圍巖變形程度與變形速率維護了煤礦的生產(chǎn)安全。工作人員應(yīng)用經(jīng)優(yōu)化和調(diào)整后的網(wǎng)-索聯(lián)合支護方案后，有效改善了圍巖變形的控制效果，圍巖的強度有效增大，同時也維護了煤礦生產(chǎn)安全，加快了掘進速度。選擇優(yōu)化后的支護參數(shù)，巷道平均日進尺顯著提高，其掘進的效率提高了5成左右，降低了支護施工中的成本投入，促進掘進施工的安全進行。

6 結(jié)語

綜上所述，煤礦生產(chǎn)中，工作人員需根據(jù)煤礦生產(chǎn)實際，采取有效措施不斷完善煤礦掘進方案，適度優(yōu)化煤礦的生產(chǎn)條件，使工作面設(shè)置更為合理，而這也是煤礦生產(chǎn)質(zhì)量得以改進的重要前提，有利于增大煤礦生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。