回坡底煤礦回采巷道支護(hù)優(yōu)化選擇

張立杰

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)汾河焦煤公司回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

井工開采是我國(guó)煤炭主要的開采方式，井工開采中巷道的掘進(jìn)和工作面的回采是重要環(huán)節(jié)[1-2]。對(duì)巷道圍巖受壓狀況進(jìn)行數(shù)值模擬和力學(xué)結(jié)構(gòu)分析是制定支護(hù)方案的有效手段[3-5]。地質(zhì)條件的差異導(dǎo)致不同巷道支護(hù)方案也有差異，本文擬采用數(shù)值模擬方法，分析不同支護(hù)方案的支護(hù)效果及支護(hù)成本，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行工程應(yīng)用，以達(dá)到有效控制圍巖變形的目的。

1 工程概況

回坡底煤礦現(xiàn)正在回采工作面有兩個(gè)，分別位于南采區(qū)和北采區(qū)，分別回采至1 028 m 和1 098 m，同一煤層相鄰工作面的回采導(dǎo)致明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，兩個(gè)工作面的回采巷道斷面形狀相同，支護(hù)方案也相同。巷道位置關(guān)系簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 巷道位置關(guān)系

兩個(gè)工作面回采巷道原支護(hù)采用HBR335 右旋螺紋錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2 500 mm，采用端部錨固的方式，設(shè)置800 mm×800 mm 的間排距，頂板選擇Φ18.9 mm×10 000 mm 錨索配合金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。該支護(hù)方案初期，巷道圍巖能有效控制，隨著兩個(gè)回采工作面的不斷推進(jìn)，當(dāng)兩工作面?zhèn)€分別回采至1 028 m和1 098 m 時(shí)，發(fā)現(xiàn)301 工作面的回采對(duì)于302工作面回采巷道有影響，巷道圍巖出現(xiàn)了變形量大的現(xiàn)象，但是未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。為確保工作面推進(jìn)工作的順利進(jìn)行，需要對(duì)302 工作面回采巷道及時(shí)進(jìn)行支護(hù)方案調(diào)整，進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，以確保工作面回采工作的順利進(jìn)行。

2 圍巖評(píng)價(jià)

為優(yōu)化支護(hù)方案，需要對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的探測(cè)，一般利用巖層探測(cè)記錄儀對(duì)圍巖狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用圍巖松動(dòng)圈定量評(píng)價(jià)圍巖狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于圍巖松動(dòng)圈的分類情況如下： 松動(dòng)圈值在0～400 mm 時(shí)，屬于小松動(dòng)圈，圍巖穩(wěn)定；松動(dòng)圈在400～1 000 mm 范圍時(shí)，圍巖較為穩(wěn)定，松動(dòng)圈在1 000～1 500 mm 范圍時(shí)，圍巖一般穩(wěn)定，屬于中松動(dòng)圈；松動(dòng)圈在1 500～2 000 mm范圍時(shí)，圍巖一般不穩(wěn)定；松動(dòng)圈在2 000 ～3 000 mm 范圍時(shí)，圍巖不穩(wěn)定；松動(dòng)圈大于3 000 mm，圍巖極不穩(wěn)定，屬于大松動(dòng)圈?；仄碌酌旱V現(xiàn)正在回采工作面的兩個(gè)回采巷道的松動(dòng)圈值分別為1 850 mm、1 901 mm，屬于大松動(dòng)圈，圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)該采用錨噴網(wǎng)等加強(qiáng)支護(hù)，以防止安全事故的發(fā)生。

3 支護(hù)優(yōu)化

錨桿支護(hù)參數(shù)主要包括錨桿長(zhǎng)度、 錨桿間排距、錨索數(shù)量等三個(gè)參數(shù)?？紤]到實(shí)際工程中很難實(shí)現(xiàn)不同支護(hù)方案的試驗(yàn)應(yīng)用，因此，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行工程應(yīng)用驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)特制定以下三種支護(hù)方案：

方案1： 頂板錨桿采用扭矩為300 N·m 的螺紋鋼錨桿，錨桿直徑20 mm，長(zhǎng)度2 500 mm，間排距為800 mm×800 mm，每根錨桿配合使用2 個(gè)K23/35 樹脂錨固劑；巷道兩幫錨桿使用扭矩為300 N·m 的玻璃鋼錨桿，錨桿直徑27 mm，長(zhǎng)度2 500 mm，間排距為800 mm×800 mm，每根錨桿配合使用2 個(gè)K23/35 樹脂錨固劑；頂板采用預(yù)緊力為180 kN 的錨索，直徑為18.9 mm，長(zhǎng)度為10 000 mm，間排距為1 000 mm×1 600 mm，共需使用14 個(gè)K23/35 樹脂錨固劑。

方案2： 方案2 的錨桿支護(hù)參數(shù)與方案1 類似，不同的是幫部錨桿的長(zhǎng)度為2 200 m，頂板錨桿配合使用4 個(gè)K23/35 樹脂錨固劑，幫部錨桿使用4 個(gè)K23/35 樹脂錨固劑。

方案3： 頂板錨桿采用扭矩為150 N·m 的螺紋鋼錨桿，錨桿直徑20 mm，長(zhǎng)度2 200 mm，間排距為900 mm×900 mm，每根錨桿配合使用6個(gè)K23/35 樹脂錨固劑；巷道兩幫錨桿使用扭矩為150 N·m 的玻璃鋼錨桿，錨桿直徑27 mm，長(zhǎng)度2 200 mm，間排距為900 mm×900 mm，每根錨桿配合使用6 個(gè)K23/35 樹脂錨固劑；頂板采用預(yù)緊力為180 kN 的錨索，直徑為18.9 mm，長(zhǎng)度為10 000 mm，間排距為1 800 mm×1 800 mm，共需使用28 個(gè)K23/35 樹脂錨固劑。

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立長(zhǎng)為290 m，寬為300 m，高為200 m 的模型，模型共劃分為1 702 146 個(gè)網(wǎng)格，包含1 783 208 個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型中巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬巖層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)煤層埋藏地質(zhì)條件，分別在模型X、Y 方向施加約束，將底部設(shè)置為固定邊界，此外，在X、Y、Z 方向施加初始應(yīng)力值11.42 MPa、7.08 MPa、6.41 MPa。然后對(duì)不同支護(hù)方案下巷道圍巖變形進(jìn)行模擬，為了更直觀的反映巷道圍巖的變形及受力，繪制原支護(hù)方案及優(yōu)化的3 種方案下圍巖的最大變形量曲線，如圖2所示。

圖2 不同支護(hù)方案下圍巖變形量

從圖3中可以看出，原支護(hù)方案，頂板下沉量及兩幫收斂量均為最大，分別為181 mm、108 mm；方案1，頂板下沉量下降至169 mm，兩幫收斂量下降至83 mm；方案2，頂板下沉量較小，達(dá)到168 mm，兩幫收斂量下降幅度較大，降至36 mm；方案3，頂板下沉量降幅最大，頂板下沉量?jī)H為108 mm，兩幫收斂量降至34 mm。僅從支護(hù)效果來(lái)看，方案3 在圍巖變形控制方面最佳。

除考慮支護(hù)效果，支護(hù)材料的成本也是選擇支護(hù)方案的重要因素，對(duì)支護(hù)成本進(jìn)行如下計(jì)算：

原支護(hù)方案下，每排錨桿成本按照611 元、每排錨索成本按照598 元計(jì)算；方案1 中每排錨桿、錨索成本分別按照725 元、597 元計(jì)算； 方案2 中每排錨桿、錨索成本分別按照587 元、857 元計(jì)算；方案3 中每排錨桿、 錨索成本分別按照552 元、734 元計(jì)算； 外加錨索以及樹脂錨固劑等成本，得到原支護(hù)方案下每支護(hù)一米巷道的成本是1 135.24 元，方案1、方案2、方案3 每支護(hù)一米巷道 的 費(fèi) 用 是1 132.18 元、1 205.89 元、987.10元。方案3 支護(hù)成本最低。

綜上分析，考慮支護(hù)效果及支護(hù)成本后，得出方案3 是最佳方案。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)方案3 的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行工程實(shí)踐，對(duì)301工作面回采巷道進(jìn)行加固支護(hù)結(jié)束后，對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行為期30 天的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。從圖中看，當(dāng)監(jiān)測(cè)天數(shù)小于10 天時(shí)，頂板下沉量較小，當(dāng)監(jiān)測(cè)天數(shù)大于10 天時(shí)，頂板下沉量迅速增加，直至監(jiān)測(cè)天數(shù)為20 天時(shí)，頂板下沉量達(dá)到91.2 mm，隨后頂板下沉量緩慢增加，最后穩(wěn)定在99.6 mm；兩幫收斂量呈現(xiàn)相同的規(guī)律，監(jiān)測(cè)前10 天，收斂量較小，最大值為3.4 mm，10 天以后，收斂量持續(xù)增長(zhǎng)，最終穩(wěn)定在24.2 mm。從工程應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，方案3 支護(hù)方案有效控制了圍巖的變形，且實(shí)際監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形值與數(shù)值模擬結(jié)果相近，證明方案3 可行。

圖3 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié)論

針對(duì)回坡底煤礦正在回采的301 和302 兩個(gè)工作面動(dòng)壓疊加對(duì)302 面回采巷道影響的現(xiàn)狀進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化，得出結(jié)論如下：

1）利用圍巖松動(dòng)圈理論對(duì)回采巷道圍巖狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)，判定圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，防止安全事故的發(fā)生。

2）對(duì)3 種支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析比較，得出方案3 支護(hù)效果為最佳，同時(shí)支護(hù)成本也最低。

3）應(yīng)用表明，方案3 有效控制了圍巖的變形，應(yīng)用效果良好。