巷道快速掘進(jìn)支護(hù)方案優(yōu)化分析

王 飛，楊鵬飛

(1.潞安化工集團(tuán)有限公司 古城煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102；2.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100013)

隨著我國(guó)科技的進(jìn)步，巷道掘進(jìn)設(shè)備不斷發(fā)展，巷道掘進(jìn)速度不斷提高，工作面投產(chǎn)的時(shí)間大大縮短[1]。但工作面的快速推進(jìn)也導(dǎo)致工作面頂板及煤層應(yīng)力環(huán)境改變，傳統(tǒng)支護(hù)方式已無(wú)法滿足巷道快速掘進(jìn)的需要，因此需要依據(jù)頂?shù)装遄兓瘞r性對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化[2-5]。本文以古城礦S1301工作面回風(fēng)巷為實(shí)際背景，通過(guò)對(duì)原有支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出適合S1301工作面回風(fēng)巷快速掘進(jìn)的支護(hù)方案。

1 工程概況

S1301工作面位于3號(hào)煤層，煤層厚3.35～10.25 m，平均厚度6.32 m，煤層傾角3～22°，局部?jī)A角大于15°，傾角平均6°，煤層埋深606.7～667.2 m，垂直應(yīng)力約為17.1 MPa，煤層頂?shù)装鍘r性較軟，頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

2 工作面支護(hù)現(xiàn)狀分析

2.1 支護(hù)參數(shù)現(xiàn)狀分析

S1301 工作面回風(fēng)巷為矩形斷面，寬×高=4 000 mm×3 200 mm，沿煤層頂板掘進(jìn)。

1) 巷道頂板采用錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)形式，錨桿采用左旋無(wú)縱筋螺旋錨桿，D22 mm×2 000 mm，間排距1 000 mm×1 500 mm，采用2只樹(shù)脂藥卷錨固；錨索規(guī)格為D18.9 mm×7 300 mm，間排距1 000 mm×1 500 mm。

2) 巷道兩幫主要采用左旋無(wú)縱筋螺旋錨桿支護(hù)，規(guī)格為D18 mm×1 800 mm，間排距1 000 mm×1 500 mm。回風(fēng)巷支護(hù)布置示意見(jiàn)圖1。

表1 S1301工作面頂?shù)装鍘r性

圖1 回風(fēng)巷支護(hù)布置示意(mm)

2.2 原支護(hù)方案效果分析

原支護(hù)方案不能有效控制巷道圍巖變形，在掘進(jìn)作業(yè)期間常出現(xiàn)頂板裂紋、兩幫變形。為保證巷道掘進(jìn)工作的順利進(jìn)行，對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行了檢測(cè)，原支護(hù)條件下巷道圍巖變形情況見(jiàn)表2。

由于原支護(hù)方案支護(hù)效能有限，造成巷道圍巖變形明顯，尤其巷道兩幫，變形尤為明顯，對(duì)巷道掘進(jìn)產(chǎn)生一定影響，因此需要對(duì)巷道原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表2 S1301工作面頂?shù)装鍘r性

3 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

3.1 錨桿參數(shù)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，獲得回風(fēng)巷道自穩(wěn)平衡拱高度為1.9 m，錨桿支護(hù)長(zhǎng)度應(yīng)不短于自穩(wěn)平衡拱高度。

L=L1+L2+L3

(1)

式中：L1為頂錨桿自由端長(zhǎng)度，取0.1 m；L2為平衡拱拱高，取1.9 m；L3為平衡拱拱外長(zhǎng)度，取0.5 m。

可得L=2.5 m。

同時(shí)基于礦井實(shí)際情況，選定錨桿直徑為20 mm。根據(jù)實(shí)測(cè)錨桿屈服強(qiáng)度QB=65 kN，平衡拱內(nèi)錨桿承受最大載荷G=151.98 kN，則每排錨桿數(shù)量為：

(2)

因此確定頂板每排錨桿數(shù)量為5根。由于巷道寬度為4 m，因此每排錨桿間距800 mm。依據(jù)礦井需要，確定錨桿排距1 400 mm。

綜上所述，確定錨桿參數(shù)為D20 mm×L2 500 mm，間排距800 mm×1 400 mm。

3.2 錨索參數(shù)

基于公式(3)可計(jì)算錨索長(zhǎng)度：

Ls=La+Lb+Lc

(3)

式中：La為直接頂厚度，取4.3 m；Lb為錨索外露端長(zhǎng)度，取0.3 m；Lc為錨索自由端長(zhǎng)度，取3.2 m。

可得Ls=7.8 m。

4 優(yōu)化支護(hù)模擬分析

為確定優(yōu)化支護(hù)方案的支護(hù)效果，文章進(jìn)行原始支護(hù)參數(shù)和優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)的模擬效果對(duì)比分析。需要注意的是，錨桿支護(hù)應(yīng)力數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)小于原巖應(yīng)力，為保證支護(hù)效果，本文采用零原巖應(yīng)力條件下模擬支護(hù)參數(shù)，圍巖具體參數(shù)如表3所示。數(shù)值模型長(zhǎng)×寬×高=50 m×2 m×46.2 m，近水平分布。巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，寬 4.0 m、高3.2 m，模型底邊邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。支護(hù)優(yōu)化前后支護(hù)應(yīng)力示意見(jiàn)圖2。

表3 數(shù)值模型巖層材料參數(shù)

圖2 優(yōu)化支護(hù)前后巷道支護(hù)應(yīng)力截面示意

分析圖2可知，在原始支護(hù)方案中，巷道頂幫淺部圍巖形成平均大小為0.16 MPa的支護(hù)壓應(yīng)力區(qū)，且由淺入深，支護(hù)應(yīng)力值逐漸增大；兩幫范圍內(nèi)圍巖支護(hù)壓應(yīng)力平均值為0.74 MPa，且呈弧狀分布在兩幫。需要注意的是，由于頂板和兩幫圍巖形成有機(jī)支護(hù)體，應(yīng)力沿煤層底板向深部傳遞，且隨著深度增加，壓應(yīng)力逐漸升高。支護(hù)方案優(yōu)化后，巷道頂板淺部較原支護(hù)方案形成更高范圍的支護(hù)壓應(yīng)力區(qū)，平均大小為0.23 MPa，兩幫平均支護(hù)應(yīng)力0.96 MPa，支護(hù)應(yīng)力區(qū)分布特征同原支護(hù)方案，說(shuō)明優(yōu)化支護(hù)后，支護(hù)應(yīng)力有效提升，巷道圍巖整體的穩(wěn)定性增加。

5 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)選取回風(fēng)巷道50 m范圍對(duì)優(yōu)化支護(hù)方案實(shí)施20 d的試驗(yàn)驗(yàn)證。圖3、圖4分別為20 d內(nèi)監(jiān)測(cè)到的巷道頂板變形量和兩幫變形量。

圖3 優(yōu)化支護(hù)后回風(fēng)巷頂?shù)装逡平壳€圖

圖4 優(yōu)化支護(hù)后回風(fēng)巷兩幫移近量曲線圖

分析圖3和圖4可知，工作面支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，巷道圍巖變形量得到有效控制，其中頂?shù)装逡平孔畲鬄?3.6 mm，兩幫最大變形量為11.6 mm，遠(yuǎn)小于原支護(hù)方案的358.6 mm和465.7 mm，說(shuō)明優(yōu)化方案能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掘進(jìn)巷道圍巖變形的有效控制。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)S1301工作面回風(fēng)巷原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化支護(hù)參數(shù)有效控制了巷道圍巖變形量，頂?shù)装逡平亢蛢蓭妥冃瘟坑稍瓉?lái)的358.6 mm和465.7 mm分別減小到33.6 mm和11.6 mm。