煤巖互層頂板掘進巷道支護參數優(yōu)化設計

彭宴賓

（大同煤礦集團朔州煤電公司小峪煤業(yè)公司，山西 朔州 038300）

1 工程概況

小峪煤礦位于大同煤田中部的東南邊緣，地處懷仁縣境內，核定生產能力210 萬t/a。井田面積15.1km2，可采煤層4 層，可布綜采面儲量1.7 億t。目前所采19#煤層傾角3°～10°，地質構造簡單，平均厚度7.94m。19#煤層直接頂為煤與碳質泥巖互層，富水性較弱，層理明顯，容易垮落，厚度為4～5m；直接底為砂質泥巖，呈灰色，質地較硬，厚度為1.4m；基本底為中粒砂巖，斷口為參差狀，白灰色的塊狀，厚度為3.6m。

2104 巷位于19#煤層南Ⅰ盤區(qū)北翼，設計寬度5m，高度3.2m，由東向西掘進，對應地表位于水泉溝、大黃溝北部，大西溝西部，上部有大西溝支溝發(fā)育，無任何建筑物，地面標高1341～1295m，工作面標高1137～1145m。巷道掘進過程中支護難度大，擬對現有支護參數進行優(yōu)化，以達到支護參數與巷道實際情況合理匹配的目的。

2 原支護方案合理性分析

2.1 原支護方案

2104 巷頂板每排布置6 根錨桿，間排距為900×1000mm；錨索采用五花眼布置方式，單排兩根錨索的間距為1800mm，距兩幫1600mm，單排三根錨索的間距為1250mm。頂錨桿選用Φ20×2200mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨索選用Φ17.8×8500mm 的鋼絞線。樹脂藥卷規(guī)格為 CK2335 超快速藥卷和 K2360 型快速藥卷，每根錨桿配一支CK2335 藥卷、一支 K2360 藥卷，每根錨索配一支CK2335 藥卷、兩支K2360 藥卷。錨桿托板選用170×170×10mm 的拱型預應力鐵托板，錨索托板選用300×300×15mm 的方形鐵托板。巷道兩幫各布置3 根錨桿，排間距為1000×1000mm。最上根距頂板300mm，最下根距底板900mm。兩幫錨桿選用Φ18×2000mm 的普通圓鋼錨桿。樹脂藥卷規(guī)格為 K2360 型快速藥卷，每根錨桿配一支 K2360 型快速藥卷。幫錨桿托板選用100×100×8mm 的鐵托板。掘進過程中如遇頂、幫破碎和特殊地質帶，補加金屬網和護幫支護。如圖1 所示。

圖1 2104 巷原支護參數示意圖

2.2 原支護方案下巷道的礦壓監(jiān)測

為了掌握原支護參數對巷道圍巖控制的薄弱環(huán)節(jié)，從而進行針對性的優(yōu)化，在巷道內原支護參數段布置測站來進行分析。圖2 為巷道掘進后20d 左右原支護參數支護段測站內圍巖變形量、4 個頂板離層儀頂板離層量監(jiān)測結果。

圖2 原支護參數下礦壓監(jiān)測結果

通過觀察圖2（a）可知，2104 巷道掘進后巷道兩幫較早穩(wěn)定，并且穩(wěn)定后的頂底板移近量略大于兩幫移近量，最終頂底板移近量和兩幫移近量分別為47mm 和41mm。觀察圖2（b）發(fā)現，巷道掘進后頂板離層量基本穩(wěn)定在20 ～30mm 之間。通過分析圖2 數據，可以認為2104 巷原支護參數基本可以實現對圍巖的控制，但是頂板離層量偏大，可以通過更改優(yōu)化頂板錨索的參數來控制頂板離層，使得巷道穩(wěn)定性進一步提升。

2.3 原支護參數的數值模擬分析

根據2104 巷道覆巖的巖石力學基本參數，同時借鑒其他礦井的掘進支護模擬經驗[1-2]，通過FLAC3D軟件建立2104巷道原支護參數的支護模型，來研究該支護參數下巷道圍巖的穩(wěn)定性。通過摩爾庫倫模型建立的三維模型長50m、寬6m、高45m，共劃分70000 個單元。如圖3 所示為原支護參數下巷道圍巖的塑性區(qū)范圍及錨桿錨索軸力分布圖。

圖3 巷道圍巖的塑性區(qū)范圍及錨桿錨索軸力分布圖

觀察圖3（a）發(fā)現，巷道頂板沒有拉伸破壞的區(qū)域，只有深度約0.93m 的剪切破壞區(qū)域，這是頂板上錨桿及錨索產生了較大的軸向拉伸力，而圍巖應力尚未超過錨索及錨桿的軸向拉伸力所致。巷幫處同樣沒有發(fā)生拉伸破壞的區(qū)域，但是兩幫的中間區(qū)域出現了范圍和數值均較小的拉應力，并且其應力值遠小于巷幫錨桿的軸向拉伸力，巷幫處有破壞深度約4.43m 的剪切破壞區(qū)域，其長度超過了巷幫錨桿的長度。由圖3（b）發(fā)現巷幫處錨桿所受最大拉應力達到178.9kN，遠大于頂板錨桿所受拉應力，頂板錨桿的最大錨固力約66kN，因此需要調整巷幫錨桿參數來加強支護，并且從圖3（b）可以明顯看出錨索中間所受軸力大而兩端所受軸力小，錨索兩端錨固力較小，中部最大錨固力約209.7kN，因此可以通過調整頂板錨桿參數來加強頂板支護。

3 支護參數的優(yōu)化及效果分析

3.1 支護參數優(yōu)化[3]

根據第二章原支護參數的數值模擬分析結果，并結合2104 巷現場頂板為煤、炭質泥巖互層，層理明顯、容易垮落的情況，確定該巷道的支護結構為Ⅲ類錨固結構，應采用錨桿+錨索+W 鋼帶的支護形式來充分發(fā)揮整體支護作用。結合礦方現有材料及技術條件，使用Φ22×2200mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿代替原支護參數中巷幫Φ18×2000mm的普通圓鋼錨桿，并且兩幫每側增加一根錨桿，間排距不作改變。頂板錨索由“二二”支護代替原支護參數中的五花眼布置方式。第一排錨索位于兩條W 鋼帶之間，間距2000mm，第二排錨索位于W 鋼帶的兩端頭，一二排錨索交替支護形成頂板錨索的“二二”支護。錨桿錨索的錨固劑使用方式不作改變。優(yōu)化后的支護參數平面圖如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化后的頂板及幫部支護平面圖

3.2 優(yōu)化后的支護參數數值模擬分析[4]

為了驗證優(yōu)化后支護參數的合理性，將優(yōu)化后的參數代入到第二章所建模型進行模擬分析。如圖5 所示為優(yōu)化后的支護參數下錨桿錨索軸力及巷道圍巖的塑性區(qū)范圍分布圖。

由圖5 中圍巖塑性區(qū)范圍分布圖可知，巷道兩幫僅有約2.43m 的深度發(fā)生了剪切破壞，并且2.43m的破壞深度小于錨桿長度，因此能得到較好的控制，較原支護參數下巷幫的剪切破壞深度下降約47%。由圖5 中錨桿錨索軸力分布圖可知，巷幫錨桿比頂板錨桿的受力更大，錨桿的最大拉應力為87.3N，較原支護參數下降53%，其錨固效果較原支護參數有明顯提升。

3.3 現場應用效果

2104 巷優(yōu)化支護參數后，在距掘進迎頭10m的位置處布置一個巷道表面位移量及頂板離層監(jiān)測站，通過其數據來分析優(yōu)化后的支護參數的合理性。表1 為掘進支護形成后30d 內圍巖變形及頂板離層數據統(tǒng)計表。

表1 優(yōu)化支護參數后圍巖變形及頂板離層數據統(tǒng)計表

2104 巷道在掘進支護形成后30d 內頂底板累計移近量僅為15mm，兩幫移近量僅為10mm，較原支護參數分別下降68%和75%，圍巖得到良好的控制。頂板離層量僅為12mm，較原支護參數下的頂板離層量下降52%，說明本次支護參數的優(yōu)化設計較為合理，對圍巖的控制取得了不錯的效果。

4 結論

通過對2104 巷道原支護參數段圍巖礦壓實測數據及數值模擬結果的分析，確定優(yōu)化原支護參數中錨索及幫錨桿的部分參數，結合錨桿+錨索+W鋼帶的支護形式使優(yōu)化后支護參數的支護作用充分發(fā)揮。優(yōu)化后的支護參數在經過數值模擬和現場應用驗證后，圍巖變形及頂板離層量均控制在良好范圍內，此次支護參數的優(yōu)化設計比較合理。