程家溝5#煤層巷道聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

郝仲韡

（大同煤礦集團(tuán)陽(yáng)方口礦業(yè)有限責(zé)任公司程家溝煤礦，山西 大同 036700）

1 工程概況

程家溝5#煤層采區(qū)運(yùn)輸巷開口標(biāo)高+1100m，距離地表約200m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度500m，大巷基本沿煤層傾向布置，工作面沿煤層偽走向布置，大巷道斷面為矩形，斷面參數(shù)為4m×2.8m。

工作面煤厚約12m，賦存穩(wěn)定，基本頂為灰白色粗砂巖；直接頂為灰褐色炭質(zhì)泥巖，厚度約為2.7m；有厚0.3m灰白色砂質(zhì)泥巖偽頂；直接底為黑色砂質(zhì)泥巖，厚度約為1.5m；基本底為灰色細(xì)砂巖，厚度約10m。性狀如表1所示。

2 支護(hù)方案

為確保生產(chǎn)安全的前提下降本增效，設(shè)計(jì)兩套支護(hù)方案以供比選。第一方案依據(jù)礦山以往支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，采用11#工字鋼棚、網(wǎng)、背板支護(hù)；第二方案為錨桿、索、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)初步設(shè)計(jì)，將被動(dòng)支護(hù)方式改為主動(dòng)支護(hù)。

表1 運(yùn)輸巷工作面頂?shù)装迩闆r

2.1 架棚支護(hù)方案

根據(jù)式（1）計(jì)算巷道礦壓，根據(jù)式（2）計(jì)算鋼棚彎矩及抗彎模量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選定工字鋼，確定鋼棚的棚距。

式中：

r-煤的容重，取1.4t/m3；

y-巷道上凈寬的1/2，取1.6m；

f-所掘巷道內(nèi)煤的堅(jiān)硬系數(shù)，取1；

Q-巷道礦壓。

計(jì)算得出巷道礦壓為:

式中：

M-支架承受的彎矩，N·mm；

q-巷道頂部單位長(zhǎng)度壓力，N/m；

L-頂梁計(jì)算跨度，m；

P-支架頂梁重量，kg；

Wxj-金屬材料截面系數(shù)，cm3；

[αj]-金屬材料允許抗彎強(qiáng)度，取215N/mm2。

計(jì)算得出:

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，參照采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇能滿足要求的11#工字鋼，11#工字鋼的參數(shù)如表2所示。

表2 11#工字鋼參數(shù)表

式中：

S-鋼架棚距；

Wxj-金屬材料截面系數(shù)；

Wy-11#工字鋼抗彎截面模量，根據(jù)表2得到289cm3。

計(jì)算得出S=Wxj+Wy=289/281=1.028m，因此取0.8m。

采用機(jī)載前探作為臨時(shí)支護(hù)。當(dāng)機(jī)載前探損壞時(shí)，采用前探梁作為臨時(shí)支護(hù)，前探梁使用10號(hào)槽鋼，長(zhǎng)度4m，共計(jì)3根，每次割煤后將前探梁推至工作面，用剎頂木將前探梁背緊。永久支護(hù)到位后取下，做到工作面不空頂。前探梁由外向里逐個(gè)循環(huán)推移。工作面迎頭到永久支護(hù)的最小空頂距為0.4m，最大空頂距為1.2m。

2.2 錨桿、索、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方案

考慮成本及長(zhǎng)期維護(hù)等因素，編制了錨桿、索、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)初步設(shè)計(jì)。在計(jì)算巷道支護(hù)參數(shù)時(shí)，考慮巷道圍巖與支護(hù)材料的耦合及動(dòng)壓對(duì)巷道的影響：

錨桿長(zhǎng)度按照式（4）計(jì)算，其中l(wèi)b1取0.1m，lb3取0.3m，lb2的計(jì)算由式（5）得出。計(jì)算得出巷道有效長(zhǎng)度為2.1m，幫部有效長(zhǎng)度為1.6m，巷道錨桿長(zhǎng)度2.5m，幫部錨桿長(zhǎng)度2.0m。

式中：

la-錨桿長(zhǎng)度，m；

lb-錨桿外露長(zhǎng)度，一般在0.1～0.15m之間；

lc-錨桿有效長(zhǎng)度，m；

ld-錨桿錨固長(zhǎng)度，一般在0.3～0.4m之間。

式中：

a-巷道寬度，按回采最寬設(shè)計(jì)取4.5m；

b-矩形巷道高度，取2.8m；

lp-塑性軟化區(qū)，當(dāng)采深＜200m時(shí)，Lp=0～2m；當(dāng)采深在200～400m 之間時(shí)，Lp=2～5m；當(dāng) 采 深 ＞400m時(shí)，Lp=5～8m。 巷 道 按 采 深200～400m取3m。錨桿直徑由長(zhǎng)度除以110，計(jì)算得出頂幫直徑取20mm。

頂幫錨桿都按加長(zhǎng)錨固設(shè)計(jì)，根據(jù)式（6），鉆孔半徑取14mm，樹脂藥卷半徑取11.5mm，錨桿半徑取11mm，計(jì)算得出理論錨固長(zhǎng)度1308mm。根據(jù)每根錨桿所承受的荷載，由式（7）確定錨桿的間排距：

式中：

L1-樹脂藥卷的長(zhǎng)度；

L0-錨固長(zhǎng)度；

R-鉆孔半徑；

R1-樹脂藥卷半徑；

R2-錨桿半徑。

式中

σb-單根錨桿的極限破斷力，按高強(qiáng)度錨桿計(jì)算，取250kN；

psr-巷道頂板支護(hù)荷載，kN/m2；

psw-巷道幫部支護(hù)荷載，kN/m2；

Sb-等距排列時(shí)的錨桿間排距，計(jì)算得出幫頂排距0.83m，邊幫排距0.7m。

設(shè)計(jì)如圖1所示。

3 數(shù)值模擬方案比選

使用FALC3D模擬對(duì)兩種方案進(jìn)行比選，根據(jù)運(yùn)輸巷的頂?shù)装迩闆r以及圣維南原理，以巷道為中心，四周向外拓延，按照工程概況構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型，包含表1中的頂?shù)装迩闆r。模型巷道部分采用1.0m的網(wǎng)格劃分，頂?shù)装寮懊簩硬糠植捎?.0m的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格以六面體為主，四面體作為銜接，共有節(jié)點(diǎn)607370個(gè)，單元641572個(gè)。結(jié)合已有地質(zhì)資料與現(xiàn)場(chǎng)情況，得到巖層物理力學(xué)參數(shù)如表3所示，計(jì)算模型如圖2所示。

圖1 錨桿、索、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)圖

圖2 數(shù)值模擬材料巷道模型

表3 巖層物理力學(xué)參數(shù)

對(duì)于模型X軸、Y軸及Z軸底部邊界進(jìn)行位移的限制，在Z軸頂部根據(jù)上覆巖層平均容重施加自重應(yīng)力，來對(duì)模型的初始應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到模型初始應(yīng)力場(chǎng)如圖3所示。

對(duì)比兩套支護(hù)方案，以模型中央點(diǎn)（74.5，378.0，18.2）為中心沿X軸做剖面，得到兩種方案下模型中央X軸剖面沉降位移圖如圖4、圖5所示。

圖3 模型初始應(yīng)力場(chǎng)

圖4 方案一的中央X方向剖面沉降云圖

圖5 方案二的中央X方向剖面沉降云圖

方案一情況下底鼓最大值為1.797mm，頂板沉降離層的最大值為-14.01mm。方案二情況下底鼓最大值為0.537mm，頂板沉降離層的最大值為-13.59mm，下沉降較為突出部分皆集中在巷道工程兩端，靠近工作面及巷道掘進(jìn)開口。對(duì)比兩種方案，發(fā)現(xiàn)后者相比前者底鼓最大值減少1.26mm，頂板離層最大值減少0.42mm，方案二不論在底鼓還是底板離層方面的表現(xiàn)均好于方案一，因此在實(shí)踐中應(yīng)選用方案二的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。

4 結(jié)論

詳細(xì)分析論證了程家溝5#煤層采區(qū)運(yùn)輸巷的兩套支護(hù)設(shè)計(jì)方案，通過FlAC3D數(shù)值模擬手段，對(duì)兩種支護(hù)方案進(jìn)行比選。優(yōu)選的施工方案對(duì)礦井保安全、降成本、增效益等方面帶來了顯著成效，也為企業(yè)的整體運(yùn)營(yíng)發(fā)揮了積極作用。