回風(fēng)順槽工作面支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 杰

（西山煤電集團(tuán)公司西銘礦，山西 太原 030052）

引言

煤礦開采的安全性在很大程度上受制于對(duì)頂?shù)装鍑鷰r的控制效果，常規(guī)采用液壓支架支護(hù)和錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)工作面圍巖進(jìn)行控制。統(tǒng)計(jì)表明，煤礦生產(chǎn)中有超過50%的事故均是由于圍巖控制效果不佳所導(dǎo)致。而且，在實(shí)際生產(chǎn)中由于工作面圍巖地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜且特性多變，需針對(duì)性地完成工作面的設(shè)計(jì)[1]。本文將重點(diǎn)針對(duì)回風(fēng)順槽工作面的高應(yīng)力巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，并通過工程實(shí)踐對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行評(píng)估。

1 1214工作面概況

本文以某礦1214回風(fēng)順槽工作面為例開展系列研究。為保證后續(xù)所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案與回風(fēng)順槽工作面相互匹配。本節(jié)將重點(diǎn)對(duì)1214回風(fēng)順槽的地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)評(píng)估。具體闡述如下：

1214回風(fēng)順槽工作面煤層的厚度范圍為7.23～22.14 m，煤層平均厚度為15 m。經(jīng)對(duì)工作面煤質(zhì)進(jìn)行測(cè)量可知，1214回風(fēng)順槽工作面煤層煤炭的普氏硬度系數(shù)為3，煤層的傾角范圍為2°～5°，煤層平均傾角為3°。1214回風(fēng)順槽工作面的頂?shù)装鍡l件如表1所示。

經(jīng)預(yù)測(cè)可知，1214回風(fēng)順槽工作面的最大涌水量為0.5 m3/h。目前，回風(fēng)順槽工作面支護(hù)采用的液壓支架具體型號(hào)為ZY3600/10/20。結(jié)合表1中1214回風(fēng)順槽工作面的頂?shù)装鍡l件，通過仿真計(jì)算可知，該工作面在垂直方向的最大應(yīng)力為15 MPa、最小應(yīng)力為2 MPa。

表1 1214回風(fēng)順槽工作面頂?shù)装鍡l件

2 回風(fēng)順槽工作面支護(hù)設(shè)計(jì)

結(jié)合上述對(duì)1214回風(fēng)順槽工作面的地質(zhì)條件，本節(jié)通過構(gòu)建數(shù)值模擬模型，對(duì)不同錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)對(duì)應(yīng)的支護(hù)效果仿真對(duì)比，最終得出最佳適用于1214回風(fēng)順槽工作面的支護(hù)方案。

2.1 模型建立

根據(jù)1214回風(fēng)順槽工作面的實(shí)際情況和巷道的基礎(chǔ)尺寸，基于FLAC3D軟件建立寬度為3.5 m、高度為2.5 m的數(shù)值模擬模型。為切實(shí)獲得可指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的仿真結(jié)果，將回風(fēng)順槽工作面周圍的單元格劃分為0.5 m，其他遠(yuǎn)離回風(fēng)順槽工作面的單元網(wǎng)格尺寸較大[2]。

根據(jù)表1中的地質(zhì)條件對(duì)模型中各類巖層的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置完畢護(hù)，基于摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則對(duì)當(dāng)前1214回風(fēng)順槽工作面在未來生產(chǎn)過程中的變形情況進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。經(jīng)模擬可知，1214回風(fēng)順槽工作面在未開展任何支護(hù)的條件，頂板的最大破壞量可達(dá)到1.8 m，而工作面兩幫的最大破壞量1.7 m。

2.2 支護(hù)方案的選擇

通過實(shí)踐表明，目前煤礦巷道、回風(fēng)順槽等工作面支護(hù)應(yīng)用較為廣泛的支護(hù)方式為錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)。同時(shí)，采用工程類比法和現(xiàn)有煤巷的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)工作面圍巖的穩(wěn)定程度可初步確定支護(hù)參數(shù)[3]。1214回風(fēng)順槽工作面為中等穩(wěn)定圍巖，當(dāng)頂板相對(duì)完整時(shí)采用錨桿+鋼筋梁的支護(hù)方案即可；當(dāng)頂板出現(xiàn)一定程度的破碎時(shí)，需采用錨桿+鋼筋梁+網(wǎng)或增加錨索的綜合支護(hù)方式。

結(jié)合1214回風(fēng)順槽工作面的頂板狀態(tài)，最終確定采用錨桿+鋼筋梁+網(wǎng)或增加錨索的綜合支護(hù)方式。

2.3 支護(hù)參數(shù)的確定

2.3.1 錨桿支護(hù)參數(shù)

工作面支護(hù)錨桿包括有兩幫錨桿和頂部錨桿。兩幫錨桿長度與錨桿外露長度（一般取值為0.2 m）、錨桿有效長度（兩幫最大變形量為1.7 m）和錨固長度（一般取值為0.3 m）相關(guān)，則可以得出兩幫錨桿長度為2.2 m。兩幫錨桿直徑為錨桿長度/110，則可以得出兩幫錨桿直徑為2.2 m/110=20 mm。

頂板錨桿長度結(jié)合自然平衡拱理論計(jì)算，其主要考慮頂板圍巖的變形量（最大變形量為1.8 m）和錨桿的外露長度（一般取值為0.6 m），則可以得出頂部錨桿的長度為2.4 m，對(duì)應(yīng)的頂部錨桿直徑為2.4 m/110=22 mm。

基于工程類比法，適用于1214回風(fēng)順槽工作面錨桿間距為0.6～1.0 m。其中，頂板錨桿間距為800 mm或900 mm，兩幫錨桿間距為900 mm。錨桿排距為700 mm、900 mm和1 100 mm三種情況。

2.3.2 錨索支護(hù)參數(shù)

結(jié)合1214回風(fēng)順槽工作面的實(shí)際情況和該煤礦其他回風(fēng)順槽工作面的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，最終確定錨索直徑為15.24 m、長度為5 500 mm[4]。

2.3.3 金屬網(wǎng)參數(shù)

為改善錨桿的整體承載能力，在錨桿+錨索的支護(hù)方案下，采用直徑為6.5 mm的金屬絲分別制成規(guī)格為100 mm×100 mm的金屬網(wǎng)。

2.3.4 鋼帶參數(shù)

同樣結(jié)合工作面實(shí)際情況和選型經(jīng)驗(yàn)，1214回風(fēng)順槽工作面最終選用型號(hào)為BHW-280-2.75鋼帶，其對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 BHW-280-2.75鋼帶關(guān)鍵參數(shù)

根據(jù)錨桿間距和排距不同，對(duì)六種不同方案下對(duì)應(yīng)頂板和兩幫的變形量進(jìn)行對(duì)比，六種支護(hù)方案如表3所示。

表3 六種不同支護(hù)方案

經(jīng)過數(shù)值模擬分析，得出上述六種不同支護(hù)方案下對(duì)應(yīng)頂板和兩幫的變形量如表4所示。

如表4所示，工作面支護(hù)狀態(tài)下頂板和兩幫的變形量明顯較無支護(hù)狀態(tài)下減小；而且支護(hù)方案四、五、六對(duì)應(yīng)的支護(hù)的效果明顯優(yōu)于支護(hù)方案一、二、三，說明頂板間距減小有利于對(duì)圍巖的控制。具體對(duì)比方案四、五、六可知，隨著錨桿排距的增加，頂板下沉量和兩幫移近量均增加。因此，理論上錨桿排距越小越好[5]。但是，綜合考慮錨桿排距過小會(huì)增加支護(hù)成本，降低支出效率，而且方案五和方案六對(duì)圍巖的控制效果相差不多。

表4 不同支護(hù)方案對(duì)應(yīng)頂板和兩幫的變形量

綜上，最終確定支護(hù)方案五對(duì)1214回風(fēng)順槽工作面進(jìn)行支護(hù)，最終支護(hù)效果如圖1所示。

圖1 1214回風(fēng)順槽工作面支護(hù)效果圖（單位：mm）

3 結(jié)論

根據(jù)綜采工作面的地質(zhì)條件針對(duì)性地提出有效的支護(hù)方案，對(duì)于保證工作面的安全性生產(chǎn)和高效的生產(chǎn)率具有重要意義。本文針對(duì)1214回風(fēng)順槽工作面，采用工程類比法和該工作面所屬煤礦其他工作面的支護(hù)設(shè)計(jì)完成了該工作面最終支護(hù)方案的選擇和支護(hù)參數(shù)的確定。

1）結(jié)合1214回風(fēng)順槽工作面的頂板狀態(tài)，最終確定采用錨桿+鋼筋梁+網(wǎng)或增加錨索的綜合支護(hù)方式。

2）兩幫錨桿長度為2.2 m，錨桿直徑為20 mm，頂部錨桿的長度為2.4 m，頂部錨桿直徑為22 mm，錨桿排距為900 mm，頂部錨桿間距為800 mm，兩幫錨桿間距為900；錨索直徑為15.24 m，長度為5 500 mm；金屬網(wǎng)的規(guī)格為100 mm×100 mm；鋼帶型號(hào)為BHW-280-2.75。