莊子河煤業(yè)堅(jiān)硬頂板條件下支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

李 慶

(山西焦煤山煤國(guó)際莊子河煤業(yè)，山西 長(zhǎng)治 046000)

隨著煤礦井下工作面綜合機(jī)械化的發(fā)展，工作面采煤的效率及速度逐步提升，而巷道掘進(jìn)技術(shù)及設(shè)備發(fā)展相對(duì)落后，導(dǎo)致了巷道掘進(jìn)速度較低，進(jìn)而引起了礦井采掘接替緊張的問題[1-3]。為此，眾多學(xué)者對(duì)巷道的快速掘進(jìn)技術(shù)及其影響因素進(jìn)行了大量的研究，康紅普等[4]通過實(shí)地觀測(cè)得出，制約巷道掘進(jìn)效率的因素主要為掘進(jìn)工序復(fù)雜且相互配合較差；肖同強(qiáng)等[5]指出，適當(dāng)加大掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺可以提高掘進(jìn)及支護(hù)效率；王步康[6]通過分析巷道賦存條件與掘進(jìn)設(shè)備、工藝間的關(guān)系，提出掘進(jìn)及支護(hù)的平行作業(yè)是實(shí)現(xiàn)巷道快速掘進(jìn)的主要途徑。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，采用理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)莊子河煤業(yè)堅(jiān)硬頂板條件下的巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為巷道快速掘進(jìn)提供技術(shù)支持。

1 工程概況

莊子河煤業(yè)15106工作面位于+1 000 m水平一采區(qū)，主采15號(hào)煤層。15號(hào)煤層位于太原組下部，煤層傾角0～3°，平均厚度3.5 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，上部和下部常含兩層夾矸，煤體內(nèi)生裂隙發(fā)育，層狀構(gòu)造，普氏系數(shù)為1.4，埋深118～132 m.工作面煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

15106工作面運(yùn)輸巷沿煤層頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)斷面為矩形，凈寬5.0 m，凈高3.8 m，凈斷面積20.9 m2，設(shè)計(jì)工程量為443.5 m.由表1可知，巷道頂板為石灰?guī)r，強(qiáng)度及硬度較高，且厚度達(dá)6.8 m，屬于典型的厚層堅(jiān)硬頂板。15106運(yùn)輸巷在掘進(jìn)時(shí)頂板完成性好，但由于巖性堅(jiān)硬，支護(hù)施工較困難，且原支護(hù)參數(shù)不合理，導(dǎo)致巷道的掘進(jìn)效率較低，嚴(yán)重影響了礦井的采掘接續(xù)。因此，需開展巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化研究，以提高掘進(jìn)效率，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)。

2 合理支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬分析

2.1 建立模型

依據(jù)15106工作面運(yùn)輸巷的實(shí)際賦存條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=40 m×10 m×40 m，根據(jù)工作面埋深，在模型頂部施加5.5 MPa的垂直應(yīng)力以模擬覆巖壓力，通過位移邊界條件對(duì)模型四周和底部進(jìn)行約束。計(jì)算時(shí)，煤巖體的破壞準(zhǔn)則統(tǒng)一采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)按表2進(jìn)行賦參。巷道寬×高=5.0 m×3.8 m，沿15號(hào)煤層頂板掘進(jìn)。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 合理錨桿長(zhǎng)度分析

為分析不同錨桿長(zhǎng)度下的圍巖控制效果，采用數(shù)值模擬設(shè)置了3種對(duì)照試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，錨桿長(zhǎng)度分別為2.2 m、2.5 m及2.8 m，為了消除其他因素對(duì)模擬結(jié)果的影響，將頂錨桿間距統(tǒng)一設(shè)置為900 mm，排距統(tǒng)一為1 000 mm；幫錨桿的間距統(tǒng)一設(shè)置為1 100 mm，排距統(tǒng)一為1 000 mm.頂板每排均為6根頂錨桿，兩幫每排各4根幫錨桿。

圖1為不同錨桿長(zhǎng)度下的水平應(yīng)力分布特征，由圖可知，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，巷道圍巖的水平應(yīng)力集中程度逐漸減小，巷道頂板及兩幫的水平應(yīng)力值也明顯減小，表明錨桿長(zhǎng)度的增加減小了圍巖卸載對(duì)巷道的擾動(dòng)影響。錨桿長(zhǎng)度為2.2 m時(shí)，巷道最大水平應(yīng)力值為-30 MPa，錨桿長(zhǎng)度增加至2.8 m時(shí)，巷道最大水平應(yīng)力值降低至-22 MPa.

圖1 不同錨桿長(zhǎng)度下的水平應(yīng)力分布特征

圖2為不同錨桿長(zhǎng)度下的巷道圍巖塑性區(qū)分布特征，由圖可知，巷道周圍主要以剪切破壞為主，且隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，圍巖塑性區(qū)范圍大幅度縮小，表明增加錨桿長(zhǎng)度可以有效縮小圍巖的破壞范圍。

圖2 不同錨桿長(zhǎng)度下的塑性區(qū)分布特征

圖3為不同錨桿長(zhǎng)度下的巷道圍巖的水平位移云圖，由圖可知，巷道的水平位移主要表現(xiàn)為兩幫的變形；錨桿長(zhǎng)度為2.2 m時(shí)的最大水平位移量為400 mm；錨桿長(zhǎng)度為2.8 m時(shí)的最大水平位移量為280 mm，較2.2 m錨桿長(zhǎng)度下降低了120 mm.

圖3 不同錨桿長(zhǎng)度下的水平位移云圖

綜上分析可知，錨桿長(zhǎng)度的增加可以有效提高圍巖的承載能力，降低圍巖的破壞范圍，對(duì)巷道的穩(wěn)定性有著積極的影響。

3 工程實(shí)踐及效果分析

3.1 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)理論計(jì)算及數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合15106運(yùn)輸巷實(shí)際賦存條件，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體支護(hù)斷面如圖4所示。

圖4 巷道支護(hù)斷面圖(mm)

頂錨桿采用螺紋鋼樹脂錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿長(zhǎng)度為2 800 mm，直徑22 mm，呈矩形布置，間排距為900 mm×1 000 mm，每排6根，靠巷幫側(cè)250 mm處開始布置，錨固長(zhǎng)度為1 200 mm，采用2支樹脂錨固劑錨固，保證錨桿預(yù)緊力不低于80 kN，預(yù)緊力矩不小于200 N·m.錨桿均垂直頂板施工。為探測(cè)頂板巖性，每隔10 m在頂板中線施工1根錨索，錨索長(zhǎng)度為6 300 mm，直徑為17.8 mm.

巷道兩幫支護(hù)的錨桿長(zhǎng)度為2 000 mm，直徑22 mm，錨桿間排距為1 100 mm×1 000 mm，每排4根，起錨高度為250 mm，錨桿錨固長(zhǎng)度為1 200 mm，錨桿錨固采用2支樹脂錨固劑，要求錨桿預(yù)緊力矩不小于100 N·m.靠近頂?shù)装宓腻^桿施工角度與水平呈30°，其余錨桿施工角度均與巷幫垂直。

3.2 應(yīng)用效果分析

1) 圍巖控制效果分析。為分析支護(hù)優(yōu)化方案對(duì)圍巖的控制效果，在15106運(yùn)輸巷內(nèi)布置測(cè)站，監(jiān)測(cè)巷道圍巖的位移變化情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 巷道變形觀測(cè)曲線

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，隨著測(cè)點(diǎn)與掘進(jìn)面距離的增加，巷道圍巖位移量呈先增大后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)，變形速度呈逐漸減小的趨勢(shì)。在掘進(jìn)面超過測(cè)站90 m后，測(cè)站處的圍巖基本轉(zhuǎn)向穩(wěn)定狀態(tài)。其中，頂板的累計(jì)下沉量為280 mm，兩幫的累計(jì)變形量為470 mm，兩幫的變形量相對(duì)較大，另外，現(xiàn)場(chǎng)施工情況表明，采用該支護(hù)優(yōu)化方案后，巷道頂板及兩幫未出現(xiàn)明顯的變形情況，表明該方案的圍巖控制效果良好。

2) 掘進(jìn)效率分析。通過現(xiàn)場(chǎng)跟班觀察，對(duì)支護(hù)方案優(yōu)化前后的掘進(jìn)效率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。支護(hù)方案未進(jìn)行優(yōu)化前，巷道采用小循環(huán)掘進(jìn)，掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺為0.8 m，每循環(huán)截割1排，每天掘進(jìn)12個(gè)循環(huán)，每日掘進(jìn)進(jìn)尺為9.6 m；采用優(yōu)化的支護(hù)方案后，巷道掘進(jìn)每循環(huán)可截割3排，掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺提升至2.4 m，每天能完成8個(gè)循環(huán)，日掘進(jìn)進(jìn)尺提高至19.2 m，掘進(jìn)效率提升了1倍，最大日進(jìn)尺超過了20.0 m.由此可知，提出的優(yōu)化支護(hù)方案不僅可以有效地控制巷道圍巖的穩(wěn)定性，還大幅提高了巷道的掘進(jìn)效率。

4 結(jié) 語

1) 根據(jù)莊子河煤業(yè)15106運(yùn)輸巷的實(shí)際工程地質(zhì)條件，通過極限平衡拱理論分析得出巷道極限平衡拱高度在2 m左右，則頂板錨桿長(zhǎng)度范圍為2.2～2.8 m.

2) 采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬分析了不同頂錨桿長(zhǎng)度、間排距下的巷道應(yīng)力、位移及塑性區(qū)的分布特征，確定出合理的頂錨桿長(zhǎng)度為2.8 m，間排距為900 mm×1 000 mm.

3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，優(yōu)化后的支護(hù)方案不僅有效地控制了巷道圍巖的穩(wěn)定性，還大幅提高了巷道的掘進(jìn)效率。