基于松動(dòng)圈理論的高抽巷合理支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

張 博

(西山煤電集團(tuán) 技術(shù)中心， 山西 太原 030053)

高抽巷布置在采空區(qū)頂板巖層裂隙范圍內(nèi)，是通過調(diào)節(jié)采空區(qū)瓦斯流向來解決工作面上隅角瓦斯超限的專用巷道[1]. 該類巷道服務(wù)年限長、掘進(jìn)速度慢、巷道穩(wěn)定性難控[2]. 加強(qiáng)支護(hù)、維護(hù)圍巖穩(wěn)定、有效減少錨桿數(shù)量對(duì)于提高巷道掘進(jìn)速度具有重要工程實(shí)際意義[3]. 杜兒坪礦北三盤區(qū)裂隙區(qū)中上部的68308工作面高抽巷，在掘進(jìn)過程中掘進(jìn)機(jī)破巖量較大，巷道月進(jìn)尺較少，僅200 m/月，存在錨桿預(yù)應(yīng)力水平偏低，金屬網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)方式不恰當(dāng)?shù)葐栴}。因此，對(duì)68308工作面高抽巷進(jìn)行錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究。

1 工程概況

北三盤區(qū)68308面高抽巷位于北三盤區(qū)6#煤層，主要用于抽放北三盤區(qū)68308和68309兩面8#煤層中瓦斯，使用期限至少5年。設(shè)計(jì)巷道全長1 500 m. 現(xiàn)場兩幫均采用3根幫錨桿，巷道掘送錨索采用“二一二”五花布置。

2 巷道圍巖破裂范圍特征研究

以杜兒坪礦北三盤區(qū)68308工作面瓦斯高抽巷圍巖地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立FLAC3D數(shù)值模型。為滿足模型計(jì)算精度及計(jì)算速度需要，模型以只覆蓋高抽巷開挖后圍巖影響范圍的煤巖層為研究對(duì)象。所開挖巷道及鉆場附近的煤巖體，其上部的巖體重力則以模型頂面施加載荷來代替，根據(jù)北三盤區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果顯示，北三盤區(qū)高抽聯(lián)絡(luò)巷所處位置最大水平主應(yīng)力為26.68 MPa，方向?yàn)镹44.3°E，最小水平主應(yīng)力13.82 MPa，巷道埋深484 m，垂直主應(yīng)力為12.10 MPa.

巷道頂?shù)装鍑鷰r物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 數(shù)值模型圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

邊界條件為左右前后邊界絞支，底端固支，頂端不施加位移約束，但施加垂直應(yīng)力，通過initial stress命令將三向主應(yīng)力施加到各單元進(jìn)行初始平衡計(jì)算，由于模型范圍較小，因此不考慮重力梯度圍巖塑性區(qū)，計(jì)算結(jié)果見圖1.

圖1 FLAC3D計(jì)算結(jié)果塑性區(qū)情況圖

計(jì)算結(jié)果表明，北三盤區(qū)68308面高抽巷開挖穩(wěn)定后圍巖頂?shù)装寮皟蓭妥畲笃屏丫鶆?，最大范圍達(dá)到1.4 m.

3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

巷道開挖后，圍巖受力狀態(tài)由三向變成了近似兩向，造成巖石應(yīng)力較大幅度上升。如果圍巖中集中應(yīng)力值小于下降后的圍巖強(qiáng)度，圍巖處于彈塑性狀態(tài)，圍巖自行穩(wěn)定；如果相反，圍巖將發(fā)生破壞，這種破壞從周邊逐漸向深部擴(kuò)展，直至達(dá)到新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，此時(shí)圍巖中出現(xiàn)了一個(gè)破裂帶。把這個(gè)由于應(yīng)力作用產(chǎn)生的破裂帶稱為圍巖松動(dòng)圈。董方庭等[4]認(rèn)為，松動(dòng)圈厚度值一般小于常用錨桿長度,并在設(shè)計(jì)上可采用懸吊理論進(jìn)行錨桿長度的計(jì)算。

I=Kh+l1+l2

式中：

I—錨桿長度，m；

K—安全系數(shù)，根據(jù)巷道的重要程度及服務(wù)年限取值，一般取1～2.5，北三盤區(qū)68308面高抽巷預(yù)期服務(wù)年限2年，綜合考慮后取1.5；

h—圍巖破裂范圍厚度，m，取1.4；

l1—錨桿外露長度，m,一般取0.1；

l2—錨桿錨入穩(wěn)定地層的深度，m，一般取0.3～0.4，取0.3.

代入公式，計(jì)算得到錨桿合理支護(hù)長度I=2.5 m.

北三盤區(qū)68308面高抽巷設(shè)計(jì)矩?cái)嗝?，長4.2 m×寬3.3 m，常規(guī)地段永久支護(hù)采用錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，基于以上分析，優(yōu)化后的錨桿長度取2 500 mm，根據(jù)錨桿支護(hù)優(yōu)化的“三高一低”原則，基本高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則。其他支護(hù)參數(shù)情況如下：

根據(jù)錨桿支護(hù)優(yōu)化的“三高一低”原則，即高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則，頂板錨桿間排距為925 mm×1 000 mm，頂板錨索間排距為2 500 mm×2 000 mm，錨索距幫850 mm；幫錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm. 幫部第一根錨桿距頂板為300 mm，第三根錨桿距底板1 000 mm，第三根錨桿距底板超過1 200 mm時(shí)必須補(bǔ)打一根幫錨桿。優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)圖見圖2.

圖2 北三盤區(qū)高抽巷支護(hù)設(shè)計(jì)圖

4 支護(hù)效果分析

為檢測支護(hù)效果，在緊靠掘進(jìn)工作面迎頭采用十字布點(diǎn)法設(shè)置了巷道表面位移監(jiān)測點(diǎn)以觀測巷道圍巖的變形狀況，測點(diǎn)布置示意圖見圖3.

圖3 巷道表面位移監(jiān)測斷面布置圖

在巷道標(biāo)牌900 m和1 310 m處安設(shè)了兩個(gè)測站，每個(gè)測站包括兩個(gè)巷道表面位移量測點(diǎn)，分別監(jiān)測巷道左幫、右?guī)秃晚敯逦灰屏?，兩個(gè)測站的巷道表面位移監(jiān)測曲線分別見圖4，圖5.

通過對(duì)巷道表面位移的監(jiān)測可以看出：

1) 測站一的測點(diǎn)1和測點(diǎn)2處巷道頂板的最大下沉量分別為20 mm及12 mm，巷道的設(shè)計(jì)高度為3.3 m，巷道頂板下沉量分別占設(shè)計(jì)高度的0.60%及0.36%；1、2測點(diǎn)巷道兩幫最大移近量均為15 mm，巷道設(shè)計(jì)寬度為4.2 m，實(shí)際巷道掘進(jìn)寬度為4.3 m左右，巷道兩幫移近量均占掘進(jìn)巷道寬度的0.35%.

圖4 第一測站巷道表面位移曲線圖

圖5 第二測站巷道表面位移曲線圖

2) 測站二的1、2測點(diǎn)圍巖變形情況與測站一類似?？傮w可以看出，隨著巷道掘進(jìn)，圍巖應(yīng)力分布逐漸趨于平衡后，圍巖的變形速度逐漸衰減，巷道頂板趨于穩(wěn)定，圍巖支護(hù)效果理想。

5 結(jié) 論

1) 通過FLAC3D數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知,杜兒坪礦北三盤區(qū)68308工作面瓦斯高抽巷的圍巖破裂范圍在1.4 m左右，為巷道支護(hù)參數(shù)的確定提供了可靠依據(jù)。

2) 巷道圍巖松動(dòng)圈范圍值是一個(gè)多因素綜合指標(biāo)的體現(xiàn)，采用松動(dòng)圈厚度值為依據(jù)進(jìn)行圍巖分類能夠真實(shí)反映巷道圍巖支護(hù)難易程度，并有效指導(dǎo)高抽巷圍巖錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)。