煤礦巷道快速掘進(jìn)支護(hù)方案優(yōu)化研究

高子健

（潞安化工集團(tuán)王莊煤礦， 山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引言

近幾年，由于我國(guó)科技不斷進(jìn)步，掘進(jìn)設(shè)備持續(xù)發(fā)展，掘進(jìn)速度不斷持續(xù)提升，很大程度上縮短了工作面進(jìn)行投產(chǎn)所使用的時(shí)間。工作面推進(jìn)速度加快造成了煤層應(yīng)力和工作面頂板環(huán)境變化，原支護(hù)不能使巷道快速掘進(jìn)的所有需求得到滿足，基于此，按照頂?shù)装鍘r性的改變來(lái)優(yōu)化調(diào)整支護(hù)參數(shù)，以潞安化工集團(tuán)某礦S1301 工作面為研究背景，經(jīng)過(guò)優(yōu)化原支護(hù)方案，提出適合于該回風(fēng)巷掘進(jìn)支護(hù)方案。

1 S1301 工作面概況

S1301 工作面位置是在3 號(hào)煤層中，且煤層的厚度、煤層厚度的平均值、煤層傾角、局部?jī)A角、煤層埋深、垂直應(yīng)力分別是3.35～10.25 m、6.32 m、3°～22°、≥15°、606.7～667.2 m、17.1 MPa，其頂?shù)装逅哂械膸r性較軟，表1 為該工作面頂?shù)装鍘r性。

表1 S1301 工作面頂?shù)装鍘r性

2 分析目前工作面支護(hù)的狀況

2.1 分析目前支護(hù)參數(shù)的狀況

該工作面的回風(fēng)巷的斷面是矩形的，其寬和高分別是4 000 mm、3 200 mm，是順著煤層頂板進(jìn)行掘進(jìn)的。

1）用錨索和錨桿聯(lián)合對(duì)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)，所使用的錨桿是無(wú)縱筋螺旋的、左旋的錨桿，規(guī)格是D22 mm×2 000 mm，相鄰排之間的距離是1 000 mm、1 500 mm，進(jìn)行錨固的是樹(shù)脂藥卷，且是兩只；所使用的錨索規(guī)格是D18.9 mm×7 300 mm，相鄰排之間的距離是1 000 mm、1 500 mm[1]。

2）左旋無(wú)縱筋螺旋錨桿對(duì)巷道兩幫進(jìn)行支護(hù)，錨桿的規(guī)格是D18 mm×1 800 mm，相鄰排之間的距離是1 000 mm、1 500 mm，圖1 為回風(fēng)巷支護(hù)布置示意圖。

圖1 回風(fēng)巷支護(hù)布置示意圖（單位：mm）

2.2 分析原支護(hù)方案的成效

控制巷道圍巖變形發(fā)生是原支護(hù)方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)進(jìn)行掘進(jìn)操作時(shí)，常常會(huì)有兩幫變形、頂板裂紋出現(xiàn)。由于要保證巷道掘進(jìn)能夠很好的實(shí)施，需要監(jiān)測(cè)巷道圍巖所發(fā)生的變形，表2 為S1301 工作面巷道圍巖變形量。原支護(hù)方案是有限的支護(hù)，導(dǎo)致有突出的巷道圍巖變形，尤其是巷道兩幫，就會(huì)影響巷道的掘進(jìn)，所以，要優(yōu)化設(shè)計(jì)其原支護(hù)方案。

表2 S1301 工作面巷道圍巖變形量

3 優(yōu)化巷道支護(hù)的參數(shù)

3.1 優(yōu)化錨桿參數(shù)

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，得知回風(fēng)巷道能夠自穩(wěn)平衡拱的高度是1.9 m，且錨桿支護(hù)長(zhǎng)度L 要比自穩(wěn)平衡拱所具有的高度要高。

式中：L1、L2、L3分別代表的是頂錨桿的自由一端的長(zhǎng)度、平衡拱的拱高、平衡拱的拱外長(zhǎng)度，分別取0.1 m、1.9 m、0.5 m。

將數(shù)值代入式（1）得：L=2.5 m。

與此同時(shí)，以礦井的真實(shí)狀況為基礎(chǔ)，對(duì)錨桿的直徑進(jìn)行選定，所選定的直徑是20 mm。按照對(duì)錨桿屈服強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，得知QB=65 kN，在平衡拱中，錨桿所能承受的載荷最大是G=151.98 kN，那么，1 排所具有的錨桿數(shù)n 是：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2）得：n=4.67。

所以，就能明確，頂板1 排就有5 根錨桿。因?yàn)橄锏烙? m 的寬度，所以，錨桿排距是800 mm，按照礦井規(guī)格D20 mm×L2 500 mm，就能明確，每排錨桿的間距是1 400 mm。

根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算結(jié)果，對(duì)錨桿的參數(shù)與間排距進(jìn)行確定，分別是D20 mm×L2 500 mm，800 mm、1 400 mm。

3.2 優(yōu)化錨索的參數(shù)

以式（3）為基礎(chǔ)，對(duì)錨索長(zhǎng)度Ls進(jìn)行計(jì)算：

式中：La、Lb、Lc代表的分別是直接頂?shù)暮穸?、錨索露在外側(cè)那端的長(zhǎng)度與其自由端那側(cè)的長(zhǎng)度，取值分別是4.3 m、0.3 m、3.2 m。

將數(shù)值代入式（3）得Ls=7.8 m。

4 優(yōu)化支護(hù)模擬分析

由于要明確支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化支護(hù)的成效，在本文中，對(duì)優(yōu)化之前與之后的原支護(hù)的參數(shù)的效果進(jìn)行了模擬與分析。原巖應(yīng)力要比錨桿支護(hù)應(yīng)力所具有的數(shù)量級(jí)要大，由于要對(duì)支護(hù)成效進(jìn)行保證，在本文中，以零原巖應(yīng)力為基礎(chǔ)，來(lái)對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬，表3就是圍巖詳細(xì)的參數(shù)。并且數(shù)值模型的長(zhǎng)、寬、高分別是50 m、2 m、46.2 m，其分布幾乎是水平的。巷道斷面被設(shè)計(jì)成了矩形，高×寬是3.2 m×4.0 m，在固定模型的底邊的邊界時(shí)，要和水平方向垂直，在固定其左右的邊界時(shí)，要和水平平行。

表3 數(shù)值模型巖層材料參數(shù)

從原支護(hù)方案里，其巷道頂幫的淺部圍巖的支護(hù)壓應(yīng)力的均值是0.16 MPa，而且支護(hù)應(yīng)力的值隨著逐漸深入而增大；其兩幫區(qū)域中的圍巖形成平均大小是0.74 MPa 的支護(hù)壓應(yīng)力，并且在兩幫所分布的形狀是弧狀的。以下就是應(yīng)該注意的，因?yàn)橛袡C(jī)的支護(hù)體形成于兩幫與頂板的圍巖中，其應(yīng)力順著煤層底板逐漸傳遞到深處，而且壓應(yīng)力由于深度的加深而上升。在優(yōu)化支護(hù)方案之后，其巷道頂幫的淺部圍巖所形成的支護(hù)壓應(yīng)力的范圍要比原支護(hù)方案的要高很多，其平均值是0.23 MPa，而且兩幫支護(hù)的平均應(yīng)力是0.96 MPa，其支護(hù)應(yīng)力范圍具有和原支護(hù)方案相同的分布特征，這就表明，在對(duì)支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化之后，提高了支護(hù)的應(yīng)力，使巷道圍巖更加穩(wěn)定了[2]。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化之后的支護(hù)參數(shù)

在試驗(yàn)時(shí)，要驗(yàn)證優(yōu)化之后的支護(hù)方案，就要把該方案使用到回風(fēng)巷的50 m 區(qū)域中20 d 來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)并驗(yàn)證。20 d 中對(duì)巷道的頂板移近量與兩幫的變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)的所有數(shù)據(jù)如圖2 和圖3 所示。

圖2 優(yōu)化支護(hù)后回風(fēng)巷頂?shù)装逡平壳€

圖3 優(yōu)化支護(hù)后回風(fēng)巷兩幫移近量曲線

通過(guò)對(duì)圖2 與圖3 進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化支護(hù)參數(shù)之后，可以很好地控制巷道圍巖底板移近量與兩幫的變形量，而且，頂板移近量與兩幫變形量最大值分別是33.6 mm、11.6 mm，要比原支護(hù)方案中頂板移近量與兩幫變形量最大值358.6 mm、465.7 mm 小很多，這就表示在對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化之后，可以很好地控制巷道圍巖的變形。

6 結(jié)語(yǔ)

在本文中，優(yōu)化了潞安化工集團(tuán)某礦S1301 工作面回風(fēng)巷原支護(hù)方案，經(jīng)過(guò)對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，就可以對(duì)巷道圍巖變形量進(jìn)行進(jìn)一步控制，而且兩幫變形量與頂板移近量和原支護(hù)方案相比有很大幅度的下降。