運輸順槽支護優(yōu)化設(shè)計的數(shù)值模擬及現(xiàn)場工業(yè)性試驗分析

張正東

（壽陽段王集團友眾煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045499）

引言

運輸順槽在綜采工作面推進即開采擾動的情況下必然會發(fā)生變形破壞，通常情況下對運輸順槽的支護設(shè)計要求滿足開采需要，完成綜采工作面的推進任務(wù)即可。但當支護設(shè)計不能達到生產(chǎn)要求時，運輸順槽的破壞變形量極為嚴重，會影響到帶式輸送機正常的煤炭資源運輸，以及巷道、綜采工作面的通風(fēng)安全，因此對此類運輸順槽進行優(yōu)化設(shè)計，可極大地提高煤礦企業(yè)的安全、高效生產(chǎn)。

1 3109 工作面概況

某礦在開采3109 工作面，煤層平均厚度3.8 m，埋深620 m，煤體容重1.43 t/m3，普氏系數(shù)2～3。該煤層地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，頂?shù)装鍘r性中等穩(wěn)定，具體參數(shù)見表1。伴隨著工作面的正常推進發(fā)現(xiàn)該運輸順槽的巷道變形量越來越嚴重，經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，最嚴重的地方巷道僅剩4.6 m 寬，嚴重威脅到綜采工作面的生產(chǎn)開采過程，對運輸順槽進行臨時支護設(shè)計，通過木垛以及工字鋼簡單支護后效果并不理想，因此決定對該巷道進行支護優(yōu)化設(shè)計。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

該3109 工作面回采巷道為矩形巷道，其寬×高尺寸設(shè)計為3 200 mm×5 000 mm，支護方式為錨桿錨索支護。優(yōu)化設(shè)計之前巷道頂部6 根錨桿均為垂直布設(shè)，間距900 mm，錨桿長度設(shè)計為1 200 mm；錨索長度5 800 mm，布設(shè)數(shù)量2 根，間距1 800 mm。兩幫錨桿均為水平布設(shè)，間距900 mm，各布設(shè)4 根。先根據(jù)錨桿錨索的布設(shè)情況對其進行優(yōu)化處理。

2 圍巖破壞原因分析

1）根據(jù)頂?shù)装鍘r性進行判斷，可以看出3109 工作面巖性普遍松軟，普氏系數(shù)較低，頂板較為破碎，在開采過程中經(jīng)常會發(fā)生頂板的自然垮落，煤壁片幫情況也較為嚴重。而且由于煤層地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，裂隙較為發(fā)育，在綜采工作面推進過程中若對巷道的支護處理不足，極易發(fā)生圍巖的變形破壞。

2）從先有支護設(shè)計上進行分析，錨桿長度為1.2 m，該長度的支護效果太差，需進行加長處理，同樣錨索的長度也應(yīng)進行改進，根據(jù)直接頂6.8 m 厚度為基礎(chǔ)設(shè)計錨索長度應(yīng)＞7 m，以達到將頂板與直接頂進行錨固的效果，形成整體結(jié)構(gòu)有助于加強圍巖的穩(wěn)定性。

3）工作面開采擾動的影響，在工作面不斷推進過程中，圍巖應(yīng)力也在不斷發(fā)生著變化，圍巖水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的特點使得錨桿極易發(fā)生剪切破壞，從而發(fā)生斷裂，喪失原先的支護能力，而基于這個特點也可以看出巷道的變形破壞主要以水平兩幫的擠壓破壞最先開始呈現(xiàn)。根據(jù)這一特點進行巷道的支護優(yōu)化檢驗，可以取得較好的檢驗效果[1]。

3 支護設(shè)計優(yōu)化方案

3109 工作面區(qū)段運輸平巷的高度3 200 mm、寬度5 000 mm，進行支護優(yōu)化處理的頂板布設(shè)錨桿6根長度由1.2 m 增加到2 m，其中4 根錨桿垂直布設(shè)，2 根錨桿偏離垂直方向10°布設(shè)；布設(shè)兩根錨索，長度7 300 mm，可直接與直接頂巖層進行鉸接，使兩層巖層錨固為一個整體增大圍巖強度，兩幫部錨桿各4根，均為水平方向布設(shè)，最上端2 根錨桿也作偏離10°的處理，以保證幫角的穩(wěn)定性，具體見下頁圖1。

圖1 區(qū)段平巷支護設(shè)計方案示意（單位：mm）

對于頂部錨桿選用Φ20 mm×2 400 mm 的鋼錨桿進行支護設(shè)計，兩幫的錨桿為Φ20 mm×2 000 mm，同時為鋼錨桿支護且配置200 mm×200 mm×12 mm厚的鋼托板進行加固處理。頂部錨桿的間距為900 mm，其中每根錨桿需要3 套MSK2335 型號的樹脂進行錨固。錨網(wǎng)的鋪設(shè)鋼絲直徑為6 mm，網(wǎng)格100 mm×100 mm，排扣200 mm。在運輸區(qū)段平巷的頂部有2 根長7 300 mm 的錨索，2 根錨索間距在1 800 mm，型號為KL18.9-1/1860-7300，其錨固力可達300 kN。

4 優(yōu)化設(shè)計檢驗

4.1 數(shù)值模擬試驗

根據(jù)上述數(shù)據(jù)對區(qū)段運輸平巷進行數(shù)值模擬試驗，分析巷道在采動及來壓影響下的變形情況，將錨桿錨索進行錨固的作用力大小，與巷道圍巖應(yīng)力大小進行對比，分析優(yōu)化后區(qū)段運輸平巷的支護效果?？梢灾绤^(qū)段運輸平巷在采動擾動下它會破壞原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，進行原巖應(yīng)力的重新分布，而圍巖對應(yīng)力的支撐能力不夠時，便會導(dǎo)致巷道的變形，呈現(xiàn)出來就是巷道頂?shù)装鍞D壓破壞或頂板垮落現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)測算對巷道優(yōu)化支護下的支護參數(shù)進行模擬計算，在距離3109 工作面200 m 長度的區(qū)段運輸平巷中布設(shè)測點16 個，進行數(shù)據(jù)采集，為數(shù)值模擬提供應(yīng)力數(shù)據(jù)支撐，在區(qū)段運輸平巷頂板均勻布設(shè)4 個測點；在區(qū)段運輸平巷的兩幫各布設(shè)4 個測點，幫角處2 個，中部1 個，底部1 個；底板上布設(shè)4 個測點，與頂板測點布設(shè)方式相同[2]。通過采集數(shù)據(jù)情況進行區(qū)段運輸平巷的數(shù)值模擬分析研究，其具體的巷道圍巖應(yīng)力分布見圖2。

圖2 3109 工作面回采巷道圍巖應(yīng)力分布

從圖2 可以看出，區(qū)段運輸平巷在進行支護優(yōu)化設(shè)計之后，整體圍巖巷道應(yīng)力值都得到了有效的緩解。其中頂板的應(yīng)力值得到大幅降低，根據(jù)錨桿錨索錨固能力進行分析，該應(yīng)力值遠遠小于錨桿錨索的支護能力，因此優(yōu)化支護方案將有效避免頂板垮落事故的發(fā)生；水平剪切應(yīng)力在模擬試驗中較大，而且在兩幫區(qū)域內(nèi)發(fā)生了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此兩幫的變形量將會增強，也就是說在實際工作面推進過程中，區(qū)段運輸平巷的兩幫將繼續(xù)擠壓變形，但根據(jù)支護分析兩幫錨桿的錨固力設(shè)計能力可以滿足數(shù)值模擬的最大應(yīng)力值，兩幫的移近量保持在可以接受的范圍之內(nèi)，始終不會影響正常的工作面開采生產(chǎn)工作，基本可以保證區(qū)段運輸平巷兩幫的支護安全。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用分析

在區(qū)段運輸平巷進行工業(yè)性試驗分析，觀測距離3109 綜采工作面長度不同時區(qū)段運輸平巷的變形量的大小，具體圖示見圖3。由圖3 可以看出，距離工作面越遠，區(qū)段運輸平巷的圍巖變形量也就越大，符合圍巖分布特征；在距離綜采工作面250 m 時區(qū)段運輸平巷的兩幫圍巖變形量達到了280 mm，符合數(shù)值模擬實驗中兩幫變形量最大的特征，也在巷道變形量接受范圍之內(nèi)，頂?shù)装宓淖冃瘟枯^小，在距離3109 綜采工作面250 m 長度時變形量保持在100 mm 以內(nèi)，也符合數(shù)值模擬試驗中頂?shù)装逵捎谥ёo優(yōu)化其圍巖應(yīng)力較小的特征；頂?shù)装逡平壳€以及兩幫移近量曲線的變化率也呈現(xiàn)下降的趨勢，表明隨著工作面的不斷推進，區(qū)段運輸平巷的圍巖應(yīng)力影響將受綜采工作面采動的影響越來越小，這極大地增強了區(qū)段運輸平巷的巷道圍巖穩(wěn)定性。根據(jù)現(xiàn)場工業(yè)性試驗可以看出，支護優(yōu)化設(shè)計后整體區(qū)段運輸平巷巷道的變形量保持在300 mm 范圍之內(nèi)，在實際生產(chǎn)過程中這一數(shù)值基本不會影響到綜采工作面的正常生產(chǎn)過程，區(qū)段運輸平巷可以保證在整個工作面的推進過程中發(fā)揮它的基本作用[3]。因此，通過區(qū)段運輸平巷支護優(yōu)化后的現(xiàn)場工業(yè)性試驗可以看出，這次優(yōu)化設(shè)計的支護效果十分可觀，基本滿足了設(shè)計要求，實現(xiàn)了對區(qū)段運輸平巷圍巖變形的控制。

圖3 3109 工作面圍巖變形量結(jié)果示意圖

5 結(jié)語

通過對3109 綜采工作面推進過程中開采擾動對運輸順槽造成的破壞原因進行分析研究，對運輸順槽進行了巷道支護優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)現(xiàn)場工業(yè)性實驗可以看出，錨桿錨索參數(shù)以及支護方式的改進，對巷道支護強度的改善有著極大的影響。優(yōu)化過后的運輸順槽圍巖變形情況較小，基本可以確保在后續(xù)綜采工作面推進過程中的正常使用，這為煤礦企業(yè)節(jié)省了支護成本，也為類似巷道的支護優(yōu)化提供了參考借鑒。