巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計及數(shù)值模擬分析

李 平

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 寺河礦，山西 晉城 048000)

隨著礦井采深的延深，其開采條件復(fù)雜化，同時防突工作面增多，使巷道掘進(jìn)效率進(jìn)一步受到限制，造成掘進(jìn)工作面設(shè)備及人員占用多，掘進(jìn)效率低，采掘接替緊張等。為了應(yīng)對當(dāng)前的經(jīng)濟形勢，結(jié)合礦井的實際情況，使錨桿支護(hù)巷道既不過度支護(hù)又能保證支護(hù)強度滿足安全生產(chǎn)需要，秉承“支得住、支得快、支得省”的支護(hù)理念，使錨桿支護(hù)巷道的設(shè)計符合技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟合理，確保工程質(zhì)量、提高單進(jìn)水平，為“一礦一策、一面一措” 提供錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計、施工依據(jù)。

針對煤礦深部礦井錨網(wǎng)支護(hù)巷道受支護(hù)參數(shù)欠佳、支護(hù)過剩、支護(hù)成本增加、掘進(jìn)進(jìn)度緩慢等技術(shù)難題，從巷道地質(zhì)狀況及巷道支護(hù)體系入手，研究與應(yīng)用煤礦井巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化與快速掘進(jìn)技術(shù)。研究形成了一套以“高強度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度”為原則的創(chuàng)新支護(hù)體系。這一體系可使錨桿和錨索各自的適用范圍都得到擴展，提高了巷道的支護(hù)效果，有效地控制了巷道圍巖的變形，實現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的支護(hù)效果。

1 技術(shù)方案

1.1 錨桿參數(shù)選擇要求

(1)錨桿材質(zhì)。目前我國錨桿材質(zhì)主要有高強螺紋鋼、右旋等強螺紋鋼等幾種。其中，高強螺紋鋼因其強度高、表面有凹凸紋理，可保證與錨固劑有較高的黏結(jié)強度和錨固強度，因而支護(hù)強度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他材質(zhì)錨桿。所以，大埋深巷道施工，一般以選擇高強螺紋鋼錨桿為宜。

(2)“三徑”匹配選擇?！叭龔健逼ヅ潢P(guān)系，是指錨桿直徑、鉆孔直徑、樹脂藥卷直徑三者的匹配關(guān)系?！叭龔健标P(guān)系是否合理直接影響著錨桿的錨固力、錨桿支護(hù)的安全可靠性和經(jīng)濟合理性。①合理的“三徑”匹配關(guān)系可以保證樹脂藥卷的均勻混合、成本合理，并能節(jié)省鉆孔時間；同時，最主要的還可以保證合理的樹脂環(huán)形厚度。由于螺紋鋼錨桿表面的結(jié)構(gòu)不同，相應(yīng)的拉拔力與環(huán)形厚度也不同。研究發(fā)現(xiàn)，使用無縱筋左旋螺紋鋼錨桿時，錨固劑環(huán)形厚度以5～6 mm最佳，而使用帶縱筋的螺紋鋼錨桿時，環(huán)形厚度以7～8 mm最好。②錨固劑與錨固方式。從錨固劑錨固效果看，樹脂藥卷與錨桿和圍巖的黏結(jié)強度明顯好于水泥藥卷錨固的錨桿；同時，樹脂藥卷錨固錨桿還具有錨固效果好、可靠性高、使用方便、節(jié)省工時，防震性能好，防腐防銹等優(yōu)點。因而目前煤礦大多采用樹脂錨固劑。一般錨固劑錨固方式分為3種基本類型：端頭錨固、加長錨固、全長錨固。端頭錨固方式錨桿，除錨固段與圍巖體粘結(jié)緊密外，其余部分大多與圍巖體呈脫開狀態(tài)，很難保證錨桿具有足夠的錨固力。全長錨固方式對保證錨桿足夠的錨固力極其有利，但施工困難，樹脂藥卷用量大、費用高。經(jīng)驗證明，頂板、兩幫的錨固方式以采用加長錨固比較可行，既可以保證錨桿的錨固力也可以實現(xiàn)錨桿桿體的延展率。③錨桿長度的辨識與設(shè)計。針對頂板在采動對底部巷道支護(hù)劇烈影響的情況選擇高強錨桿，以確保在強烈采動下對底部巷道受力的均勻傳遞和復(fù)合頂板在不同深度不同類型載荷作用下，以最充分發(fā)揮錨桿對圍巖的高強組合梁作用。

1.2 錨索參數(shù)選擇要求

錨索采用φ22 mm的單根鋼絞線，長度7 300 mm，型號為SKP22-1/1720-7.3。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

井下工作面開采3號煤層，煤層為近水平煤層，煤層傾角為2°～10°，平均6°，煤層平均厚度為6.0 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層黑色，條帶狀結(jié)構(gòu)，似金屬光澤，半亮型，以亮煤為主，有夾矸1層，屬穩(wěn)定型煤層。煤的密度1.45 t/m3，煤層堅固性系數(shù)f=1～2，蓋山厚度266～487 m，地壓6.65～12.18 MPa。頂板為砂質(zhì)泥巖，厚度為4.2 m，灰黑色，中厚層狀，含植物化石，局部砂質(zhì)含量較高，巖芯完整。底板為K6灰?guī)r，厚度2.1 m，深灰色石灰?guī)r，局部產(chǎn)少量動物碎屑化石，頂部見燧石結(jié)核。巖體參數(shù)是影響數(shù)值模擬結(jié)果的重要因素，本次模擬選取某煤層及其夾矸，煤層頂部泥巖及底板砂質(zhì)泥巖作為模擬對象，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)Tab.1 Failure sample data

在巖土工程的數(shù)值模擬計算中，巖石強度準(zhǔn)則的選取是決定模擬效果的關(guān)鍵因素，表征了巖石在極限應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)和巖石強度參數(shù)之間的關(guān)系。本次數(shù)值模擬計算采用摩爾—庫侖強度準(zhǔn)則。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1)分析截面的設(shè)定及支護(hù)方案。為了比較不同支護(hù)參數(shù)下圍巖的應(yīng)力和位移狀況，設(shè)定垂直巷道中心軸線并經(jīng)過兩排錨桿中線的豎直截面為分析截面，在該截面中取經(jīng)過巷道中心點的垂線作為檢測線，監(jiān)測點巷道頂板至模型頂部平均分布12個測點，底板以下至模型底部平均分布4個測點。①原支護(hù)方案：矩形斷面錨桿頂幫錨桿間排距900 mm×900 mm，頂錨桿采用φ22 mm左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，錨桿型號MSGLW-500/22×2400，錨索按“3-0-3”布置，錨索采用φ22 mm的單根鋼絞線，長度7 300 mm，型號為SKP22-1/1720-7.3(簡稱：7.3 m錨索)，間排距3 000 mm×1 500 mm，采用孔徑為50 mm×50 mm、規(guī)格為6.0 m(3.5 m)×1.2 m金屬網(wǎng)護(hù)頂護(hù)幫。②新支護(hù)方案：矩形斷面錨桿頂幫錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，頂錨桿采用φ22 mm左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，錨桿型號為MSGLW-500/22×2400，錨索按“2-0-2”布置，錨索采用φ22 mm的單根鋼絞線，長度7 300 mm，型號為SKP22-1/1720-7.3，間排距2 000 mm×2 300 mm，頂板采用規(guī)格為3.0 m×1.3 m鋼筋網(wǎng)護(hù)頂。幫部采用50 mm×50 mm、規(guī)格為3.5 m×1.2 m金屬網(wǎng)護(hù)幫。

(2)不同支護(hù)參數(shù)對圍巖應(yīng)力的影響分析。礦井生產(chǎn)過程中，由于受采掘工作的影響，原巖應(yīng)力場的平衡遭到破壞，致使采掘空間周圍的應(yīng)力重新分布，改變了巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，圍巖本身的支撐結(jié)構(gòu)受到破壞，在施工過程中，通過專用張拉機具及時給錨桿以很高的張拉力，并傳遞到頂板，使頂板巖層在水平應(yīng)力作用下處于橫向壓縮狀態(tài)，形成“柔性化”的壓力自撐結(jié)構(gòu)，弱化圍巖應(yīng)力集中強度，從而阻止高水平應(yīng)力對頂板圍巖體的破壞。

通過比較巷道圍巖在不同支護(hù)方案下的應(yīng)力分布情況，論證新支護(hù)方案的合理性。不同支護(hù)方案下巷道圍巖應(yīng)力分布如圖1所示。

圖1 不同支護(hù)方案下巷道圍巖應(yīng)力分布Fig.1 Stress distribution of surrounding rock of roadway under different supporting schemes

由圖1可知，水平應(yīng)力在巷道兩幫形成卸壓區(qū)域，上幫卸壓面積為下幫卸壓面積的1.9倍，在巷道頂部及底部形成應(yīng)力集中區(qū)域，上部應(yīng)力集中區(qū)域面積為下部的1.3倍。垂直應(yīng)力在巷道兩幫形成應(yīng)力集中區(qū)域，下幫應(yīng)力集中區(qū)域面積為下幫的1.2倍，在巷道頂部與底部形成卸壓區(qū)域，卸壓面積基本相等。

不同支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖水平應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 不同支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖水平應(yīng)力分布Fig.2 Horizontal stress distribution of surrounding rock of roadway under different supporting parameters

由圖2可知，水平應(yīng)力在巷道錨桿尾部附近及巷道底板下3 m的范圍出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在原支護(hù)方案下，錨桿尾部附近最大壓應(yīng)力為25.4 MPa，在新支護(hù)方案下為21.6 MPa，底板下3 m的范圍最大壓應(yīng)力在原支護(hù)方案下為24.3 MPa，在新支護(hù)方案下為22.7 MPa，隨著深入頂板遠(yuǎn)離錨桿尾部，壓應(yīng)力逐漸減小。至錨桿尾部1.7 m外，2種支護(hù)方案下基本都處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。在非原巖應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域內(nèi)，新支護(hù)方案較原方案都呈現(xiàn)水平應(yīng)力不同程度的減小現(xiàn)象，最大卸壓值3.7 MPa。

不同支護(hù)參數(shù)下圍巖垂直應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 不同支護(hù)參數(shù)下圍巖垂直應(yīng)力分布Fig.3 Vertical stress distribution of surrounding rock under different supporting parameters

由圖3可知，雖然在監(jiān)測區(qū)域垂直應(yīng)力都出現(xiàn)了卸壓現(xiàn)象，但新支護(hù)方案的卸壓幅度要比原支護(hù)方案大，最大差值為4.833 MPa。

(3)不同支護(hù)參數(shù)下巷道頂板位移分析。不同支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖位移分布如圖4所示。

圖4 不同支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖位移分布Fig.4 Displacement distribution of surrounding rock of roadway under different supporting parameters

不同支護(hù)參數(shù)下圍巖垂直位移分布如圖5所示。

圖5 不同支護(hù)參數(shù)下圍巖垂直位移分布Fig.5 Vertical displacement distribution of surrounding rock under different supporting parameters

由圖5可知，在新支護(hù)方案下，巷道頂板的最大下沉量為25 mm，原支護(hù)方案下，巷道頂板的最大下沉量為32 mm，差別不大。

經(jīng)以上分析可知，新支護(hù)方案在緩解巷道圍巖應(yīng)力集中方面要優(yōu)于原支護(hù)方案，增加錨桿間排距，減少錨桿用量，降低巷道支護(hù)成本，為提高巷道掘進(jìn)速度創(chuàng)造條件，其合理性得到進(jìn)一步的論證。

3 支護(hù)優(yōu)化后圍巖監(jiān)測結(jié)果分析

本試驗實施前，該巷道按照傳統(tǒng)施工方式已掘進(jìn)160 m，為綜合分析比較不同工藝施工巷道狀況，特選擇試驗實施第一個月的施工巷道與原先施工的這160 m進(jìn)行比較分析，特在每段巷道各設(shè)10個離層儀，10個“十”字觀測站，截止到10月底，取每個測點的最大位移量進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。

圖6 支護(hù)優(yōu)化后圍巖監(jiān)測結(jié)果分析Fig.6 Analysis of monitoring results of surrounding rock after optimized supporting

由圖6可知，試驗實施后，巷道掘進(jìn)速度不僅大大提高，施工后的巷道圍巖穩(wěn)定性也得到了有效的改善，實現(xiàn)了巷道的一次成巷，避免了二次支護(hù)，促進(jìn)了高產(chǎn)、高效礦井的實現(xiàn)。

4 技術(shù)創(chuàng)新點

通過優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)，增大錨桿(索)間排距，有效提高了施工效率和單進(jìn)水平，緩解了接替緊張的局面，實現(xiàn)了早移交早投產(chǎn)，解決了接替脫節(jié)的現(xiàn)象。降低單位錨桿(索)支護(hù)密度，有效降低了巷道的開采成本，達(dá)到了節(jié)支增效的目標(biāo)。通過優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)，有效優(yōu)化了勞動組織，降低了職工的勞動強度，達(dá)到了降低人工成本的目標(biāo)。

5 結(jié)語

研究取得了明顯效果，降低了支護(hù)成本，提高了掘進(jìn)效率，優(yōu)化了勞動組織，緩解了礦井采掘接替緊張局面，無論在理論上、技術(shù)上、范圍上都取得了新的突破。對同類巷道提供工程類比、設(shè)計指導(dǎo)，具有廣泛和重要的推廣應(yīng)用價值。