3016 運(yùn)輸巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究及應(yīng)用

韓國將

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽城大西煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

隨著煤炭資源減少，礦井的采深不斷增大，巷道處于較高應(yīng)力狀態(tài)[1-2]，導(dǎo)致巷道圍巖穩(wěn)定性變差，圍巖極容易發(fā)生破壞，增大了巷道的支護(hù)難度[3-4]。大西礦礦區(qū)巷道錨桿支護(hù)所占比例約為95%，礦井巷道的支護(hù)參數(shù)主要采用經(jīng)驗(yàn)類比，缺少隨著采深增大等變化條件而進(jìn)行科學(xué)的比較計(jì)算，并且巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)保守，導(dǎo)致巷道變形不能得到有效的控制，優(yōu)化空間較大。

1 概況

3016 綜采工作面巷道采用“U”型布置方式，工作面呈東西布置，煤層埋深283～404 m。工作面煤厚在2.4～4.2 m 范圍的煤層占較大區(qū)域，除FY1斷層影響區(qū)域煤厚變薄外，其余區(qū)域煤厚普遍正常。

以大西礦在掘的3016 運(yùn)輸巷為實(shí)際工程背景，展開不同巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)，與原有支護(hù)方式進(jìn)行對比，設(shè)計(jì)出最優(yōu)巷道支護(hù)參數(shù)，為后續(xù)工作面巷道的支護(hù)提供理論依據(jù)，提高巷道的安全性。

2 巷道支護(hù)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

2.1 原錨桿支護(hù)方案分析

3016 工作面運(yùn)輸巷的巷道斷面呈矩形，巷道寬約5 m，高度為3.8 m，巷道斷面面積約為19 m2，屬于大斷面巷道。巷道原有的支護(hù)方案主要是頂板錨桿索聯(lián)合支護(hù)，幫部支護(hù)則選用高強(qiáng)度玻璃鋼錨桿。原巷道支護(hù)剖面圖如圖1。

巷道兩幫均選用Φ18 mm×1800 mm 圓鋼錨桿，在巷道設(shè)計(jì)4 排錨桿，上排錨桿距離頂板550 mm，錨桿排距設(shè)計(jì)為900 mm，間距設(shè)計(jì)為1000 mm。錨桿和錨索選用的錨固劑相同，均為CK2355、K2355 錨固劑。

圖1 原巷道支護(hù)剖面圖

為了分析現(xiàn)有巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的支護(hù)效果，同時可以和后續(xù)優(yōu)化方案進(jìn)行對比，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件展開演算。根據(jù)3016 運(yùn)輸巷所處位置地質(zhì)參數(shù)建立模型長×寬×高=50 m×50 m×34 m，巷道圍巖選用上下共計(jì)16 個巖層帶入模型計(jì)算。3016 運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)在模型的中部，計(jì)劃沿模型走向開挖17 m，監(jiān)測斷面選在開挖1 m 處，后續(xù)每開挖1 m，則可以提供一組巷道圍巖變形數(shù)據(jù)。

根據(jù)對模擬數(shù)據(jù)的整理可知，在原支護(hù)參數(shù)條件下，巷道開挖1 m 處圍巖最終變形結(jié)果：最大頂板下沉量為60.91 mm，最大底鼓量為41.38 mm，左幫位移量為94.66 mm，右?guī)妥畲笏阶冃瘟繛?5.64 mm。從結(jié)果可以看出，原有支護(hù)方案下，圍巖變形量較大，尤其是兩幫移近量，遠(yuǎn)大于頂?shù)装宓囊平?，因此有必要對原有支護(hù)方案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化，降低巷道圍巖的變形。

2.2 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用控制變量的方法，分別保持幫部支護(hù)參數(shù)不變和頂部支護(hù)參數(shù)不變，提出優(yōu)化方案。方案優(yōu)化主要有以下3 種：

（1）方案1：保持幫部支護(hù)參數(shù)不變，頂板支護(hù)將剖面上與角錨索位置的兩根錨桿取消，即變成每排4 根錨桿，2 根角錨索。錨索仍呈三花眼布置，間距不變，排距增大為2500 mm。

（2）方案2：保持頂板支護(hù)方式不變，幫部增大錨桿的規(guī)格，選用Φ20 mm×2200 mm 的圓鋼錨桿，幫部最上排錨桿向上傾斜，與水平線夾角為15°，其余錨桿位置和間排距設(shè)計(jì)不變。

（3）方案3：巷道頂板支護(hù)的錨索排距適當(dāng)加密，減小為1500 mm，其余與方案1 保持一致。幫部支護(hù)錨桿選用更大規(guī)格的Φ22 mm×2400 mm 圓鋼錨桿，間排距等設(shè)計(jì)與方案2 相同。

為了便于與原方案進(jìn)行直接比較，利用數(shù)值模擬僅改變相應(yīng)的巷道支護(hù)參數(shù)，同樣以開挖1 m 斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為比較標(biāo)準(zhǔn)。巷道圍巖變形結(jié)果見表1。

朱永新：學(xué)校教育尤其是義務(wù)教育階段，通過最有效率的課堂教育方式，將人類的知識高度集約化、效率化和組織化，在有效的時間內(nèi)教給我們的孩子，作用相當(dāng)于母乳。但教科書不是真正意義上的原生態(tài)的思想。一個人的精神發(fā)育如果離開了自主閱讀，離開了對人類經(jīng)典的閱讀，就不可能走得很遠(yuǎn)，精神發(fā)育肯定不健全。

表1 巷道不同支護(hù)方案圍巖變形量

根據(jù)不同方案結(jié)果可知，方案3 能夠有效減小巷道圍巖變形，尤其是對兩幫水平位移的控制，因此確立方案3 為巷道的優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)。

3 巷道支護(hù)施工和效果考察

3.1 巷道支護(hù)和變形監(jiān)測方案

為了對比原方案與新方案的實(shí)際支護(hù)效果，選擇在3016 運(yùn)輸巷布置4 組監(jiān)測斷面。監(jiān)測點(diǎn)的位置如圖2。

圖2 3016 運(yùn)輸巷監(jiān)測站點(diǎn)分布圖

其中編號為M1#和M2#的監(jiān)測點(diǎn)處巷道采用原支護(hù)方案，M3#和M4#選擇采用優(yōu)化后的支護(hù)方案。巷道圍巖變形的現(xiàn)場監(jiān)測采用十字布點(diǎn)法，監(jiān)測斷面布置如圖3。

3.2 支護(hù)效果對比分析

3016 運(yùn)輸巷頂板的累計(jì)變形量下沉曲線如圖4，顯示了監(jiān)測斷面布設(shè)之后巷道變形直至穩(wěn)定所經(jīng)歷的全部變形過程。由圖4 可以看出，隨著時間增長，各個頂板監(jiān)測點(diǎn)均表現(xiàn)出相同的變形規(guī)律。

圖3 3016 運(yùn)輸巷監(jiān)測斷面布置圖

圖4 頂板監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)下沉量

巷道開挖后，監(jiān)測斷面圍巖均開始發(fā)生劇烈變形，處于變形急劇增長階段。各個測點(diǎn)均在約20 d后進(jìn)入變形穩(wěn)定階段，此階段巷道變形增量減小，趨于不變。

巷道圍巖變形急劇增長階段，M1#處頂板的頂板累計(jì)下沉量達(dá)124.5 mm，M2#頂板累計(jì)下沉量達(dá)69.5 mm，M3#頂板累計(jì)下沉量達(dá)40.5 mm，M4#頂板累計(jì)下沉量達(dá)54.5 mm。

變形穩(wěn)定階段即掘進(jìn)工作面推過以后，在沒有特殊因素影響的情況下，巷道頂板基本不再發(fā)生對整個變形量有較大影響的變形過程的后期階段。在此階段M1#、M2#、M3#和M4#頂板分別維持了過渡階段的終點(diǎn)值，分別為130.5 mm、77.5 mm、46 mm 和59 mm，經(jīng)持續(xù)約一周監(jiān)測無明顯變形發(fā)生。

左幫部監(jiān)測點(diǎn)的水平位移如圖5。巷道開挖后，巷道進(jìn)入變形急劇增長階段，M1#左幫變形急劇增長階段累計(jì)水平位移量達(dá)97.5 mm，M2#左幫累計(jì)水平位移量達(dá)100.5 mm，M3#左幫累計(jì)水平位移量達(dá)93 mm，M4#左幫累計(jì)水平位移量達(dá)97 mm。變形穩(wěn)定階段，巷道左幫基本不再發(fā)生對整個變形量有較大影響的變形過程的后期階段。在此階段M1#、M2#、M3#和M4#左幫分別維持了過渡階段的終點(diǎn)值，分別為109 mm、107 mm、95 mm 和99 mm，經(jīng)持續(xù)約一周監(jiān)測無明顯變形發(fā)生。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)左幫水平累計(jì)位移量

綜上分析可知，新的支護(hù)方案不能改變巷道的總體的變形特征，均從變形急劇增長階段過渡到穩(wěn)定變形階段。但統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，新的巷道支護(hù)方案能夠有效地減小巷道變形量。巷道變形急劇增長階段的變形速率均小于原有支護(hù)方案的巷道變形速率，并可以略微提前進(jìn)入穩(wěn)定變形階段，這充分說明了新方案的合理性和可行性。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)原巷道支護(hù)參數(shù)，通過數(shù)值模擬分析，并與從減小頂板錨索排距、增大幫部錨桿規(guī)格和調(diào)整角部錨桿角度等方面設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)方案進(jìn)行對比，最后確定最優(yōu)巷道錨桿索支護(hù)參數(shù)。

（2）通過將優(yōu)化后的方案和原有方案在3016巷道展開工業(yè)性對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巷道變形都將經(jīng)歷圍巖變形急劇增長階段和變形穩(wěn)定階段，而采用優(yōu)化方案的巷道圍巖變形速率明顯減小，巷道頂板和兩幫的變形量也較原方案減小，表明巷道錨桿索的參數(shù)優(yōu)化方案合理，能為巷道提供更有效的支護(hù)。