錢瑞鵬 于海峰 李 猛

(1.太原理工大學現(xiàn)代科技學院，山西省太原市，030027；2. 濟寧礦業(yè)集團有限公司安居煤礦，山東省濟寧市，272000)

★ 煤炭科技·開拓與開采 ★

軟薄基巖淺埋煤巷支護參數(shù)優(yōu)化研究

錢瑞鵬1于海峰2李 猛2

(1.太原理工大學現(xiàn)代科技學院，山西省太原市，030027；2. 濟寧礦業(yè)集團有限公司安居煤礦，山東省濟寧市，272000)

針對我國西部礦區(qū)埋藏淺、基巖薄的煤層巷道支護密度大、成本高、施工復雜等難題，以某礦2203工作面回采巷道支護優(yōu)化為工程背景，提出2種頂?shù)装逯ёo方案，采用COMSOL數(shù)值模擬軟件對2種支護條件下圍巖變形及應力分布進行模擬和分析。結(jié)果表明，在應力顯現(xiàn)方面，方案A1B、A2B煤巷頂板的應力集中系數(shù)分別為2.8137和2.7146，兩幫應力集中區(qū)范圍集中在底板角；在塑性區(qū)方面，方案A2B煤巷頂板塑性區(qū)范圍比方案A1B增加0.4 m，兩幫破壞范圍大致相同。通過應力及塑性區(qū)范圍對比，綜合支護成本、施工速度，選擇方案A2B為最優(yōu)支護方案。通過現(xiàn)場實踐表明，優(yōu)化后的支護方案能夠滿足巷道圍巖控制要求，有利于該礦的安全高效生產(chǎn)。

軟薄基巖 淺埋煤層 煤巷 支護優(yōu)化

近10年來，我國煤炭開采活動主要在西部地區(qū)進行，其中相當一部分是距地表較淺的淺埋煤層。由于淺埋煤層特殊的地質(zhì)條件，淺埋煤層的安全高效回采更加重要。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，西部地區(qū)煤礦常留設25～30 m的區(qū)段煤柱，回采巷道布置為煤巷。煤巷沿用傳統(tǒng)的高密集、長錨桿(索)的支護方式，這種支護方式不僅增加了生產(chǎn)成本、增強了工作強度，而且支護作用效果并不理想。大量實踐結(jié)果表明，淺埋煤層回采工作面在回采過程中，頂板會出現(xiàn)明顯的臺階現(xiàn)象，周期來壓速度快、沖擊動力強。由于各礦區(qū)的采礦地質(zhì)條件存在一定的差異，各工作面礦山壓力顯現(xiàn)也不盡相同。因此，巷道支護參數(shù)多沿用過去的數(shù)值，沒有形成相應的參考依據(jù)。本文以某礦2203工作面回采巷道為研究對象，基于原有的支護方案，采用數(shù)值模擬方法對2種支護方案進行模擬研究，優(yōu)化煤巷支護參數(shù)，為該礦煤巷支護參數(shù)的選擇提供參考依據(jù)。

1 工程背景

2203工作面布置在礦井180 m水平2-2上煤層中，該工作面上下煤層均未開采，三面均為實炭區(qū)，一側(cè)為采空區(qū)。該工作面有效回采長度為3294 m，傾向長度為210 m，煤層平均厚度為5.28 m，煤層平均傾角為3°，無瓦斯突出。直接頂為砂質(zhì)泥巖，基本頂為細粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖。

2 巷道優(yōu)化支護方案設計

2.1 巷道原支護方案

2203工作面回風巷沿煤層按中線全煤巷掘進，采用矩形斷面，凈寬5.2 m，凈高3.9 m，凈斷面面積達20.28 m2，原支護方案如圖1所示。

圖1 2203工作面回風巷原有支護方案

2203回風巷整體為錨網(wǎng)支護，頂板采用?18 mm高強度左螺旋連續(xù)螺紋錨桿，長度為2200 mm，錨桿間排距為850 mm×1000 mm，每排錨桿為6根。兩幫采用?16 mm高強度左旋連續(xù)螺紋錨桿，長度為1800 mm，錨桿間排距為1200 mm×1200 mm，每排錨桿為4根。錨索沿巷道掘進方向距中心線1000 mm雙路布置，排距為2000 mm，錨索采用15.24 mm的鋼絞線截制而成，長度為6300 mm；每條錨索梁采用2條錨索線，每孔裝入3塊樹脂藥卷MSCK2350。

2.2 優(yōu)化支護參數(shù)選擇

巷道原有的支護方案是按照工程類比經(jīng)驗設計的。由于該礦區(qū)的煤層頂板較薄，相比于具有較厚頂板的礦區(qū)，巷道圍巖的穩(wěn)定性較差。為保證安全，原支護方案中設計的支護密度大，施工強度高，效率低。在具體分析2203工作面的支護情況和頂板的穩(wěn)定性后，發(fā)現(xiàn)該工作面頂板穩(wěn)定性較好，原支護方案密度過大?？紤]適當降低支護強度，在保證安全的前提下，提高巷道支護效率，降低巷道施工成本，達到安全高產(chǎn)高效的目的。

該工作面回采巷道支護方式為全長錨桿-鋼帶-網(wǎng)聯(lián)合支護?；谠械闹ёo方式提出2種不同頂板支護方式A1和A2以及1種幫部支護方式B，主要對頂板及兩幫的錨桿數(shù)量及錨索的間距參數(shù)進行優(yōu)化設計研究。

(1)支護方式A1。巷道頂部采用全螺紋鋼樹脂錨桿與錨索聯(lián)合支護。每排布置6條錨桿，錨桿間排距為850 mm×1000 mm；第一排和第二條錨桿之間錨索支護，錨索布置在巷道中心線左、右側(cè)第二個鋼帶眼內(nèi)，錨索間排距為2000 mm×2000 mm，間隔布置。

(2)支護方式A2。巷道頂部采用全螺紋鋼樹脂錨桿與錨索聯(lián)合支護。一排布置5條錨桿，錨桿間排距為1100 mm×1000 mm；另一排將兩端向里第二條錨桿改為錨索支護，錨索布置在巷道中心線左、右側(cè)第二個鋼帶眼內(nèi)，錨索間排距為2200 mm×2000 mm，間隔布置。

(3)支護方式B。采用?16 mm的全螺紋鋼樹脂錨桿，長度為2200 mm，錨桿間排距為1200 mm×1200 mm。兩幫每排錨桿為3根，幫部錨桿打設在距頂板300 mm處。

2.3 支護方案設計

本次煤巷支護優(yōu)化共有2個因素，分別為頂板支護方式和幫部支護方式。設計相應的數(shù)值模型，對設計的優(yōu)化方案從受力情況及塑性區(qū)分布的情況進行分析研究。此次模擬重點研究2種不同煤巷支護方案，即A1B、A2B。

3 試驗結(jié)果

3.1 支護方案A1B

支護參數(shù)：頂部錨桿?18 mm×2200 mm，間排距為850 mm×1000 mm，矩形布置；頂部鋼帶規(guī)格為5200 mm×60 mm×3 mm；頂部金屬網(wǎng)尺寸為?4 mm，規(guī)格為2700 mm×1100 mm；幫部錨桿?16 mm×2200 mm，間排距為1200 mm×1200 mm，鋼帶規(guī)格為2700 mm×60 mm×3 mm；幫部金屬網(wǎng)尺寸為?4 mm，規(guī)格為2700 mm×1300 mm，網(wǎng)格為100 mm×100 mm；錨索尺寸為?15.24 mm×6300 mm，間排距為2000 mm×2000 mm，矩形布置。方案A1B巷道支護如圖2所示。

圖2 方案A1B巷道支護布置示意圖

3.1.1 應力場的計算分析

方案A1B應力場分布如圖3所示。由圖3可知，方案A1B煤巷受采動影響引起的最大主應力集中系數(shù)為2.8137，巷道圍巖處于高應力狀態(tài)；頂板破壞范圍為頂板上方0～1.8 m，巷道兩幫應力集中區(qū)范圍集中在兩角，靠近底板處達到最大值。巷道兩幫和頂?shù)装灞砻嫦蚶锏囊欢ㄉ疃?約0.5 m)附近為主卸壓區(qū)，該區(qū)域的壓力大小都不超過原巖應力的30%，再向內(nèi)一定深度為次卸壓區(qū)。

圖3 方案A1B應力場分布圖

3.1.2 塑性區(qū)的計算分析

方案A1B塑性區(qū)平面分布如圖4所示。由圖4可知，方案A1B巷道頂?shù)装逄幱谒苄云茐牡姆秶鸀?.1 m，頂?shù)装逡约羟衅茐臑橹?，拉斷破壞為輔。兩幫破壞深度為1.4 m左右，寬度占巷道1/3左右。

3.2 支護方案A2B

巷道頂部采用全螺紋鋼樹脂錨桿與錨索聯(lián)合支護。一排布置5條錨桿，錨桿間排距1100 mm×1000 mm；另一排將兩端向里第二條錨桿改為錨索支護，錨索布置在巷道中心線左、右側(cè)第二個鋼帶眼內(nèi)，錨索間排距為2200 mm×2000 mm，間隔布置。幫部支護方式采用?16 mm的全螺紋鋼樹脂錨桿，長度為2200 mm，錨桿間排距1200 mm×1200 mm。每幫每排錨桿為3根，首套幫部錨桿打設在距頂板300 mm處。底板鋪設C30砼，厚度為200 mm。方案A2B巷道支護示意如圖5所示。

圖5 方案A2B巷道支護布置示意圖

3.2.1 應力場的計算分析

方案A2B應力場平面分布如圖6所示。由圖6可知，方案A2B煤巷受采動影響引起的最大主應力集中系數(shù)為2.7146，巷道頂板圍巖處于高應力范圍較大；頂板壓應力分布范圍為頂板上方0～1.1 m，巷道兩幫應力集中區(qū)范圍集中在底板角，靠近底板處達到最大值。巷道兩幫和頂?shù)装灞砻嫦蚶锏囊欢ㄉ疃?約0.3 m)附近為主卸壓區(qū)，該區(qū)域的壓力大小都不超過原巖應力的30%，再向內(nèi)一定深度為次卸壓區(qū)。

圖6 方案A2B應力場平面分布圖

3.2.2 塑性區(qū)的計算分析

方案A2B塑性區(qū)平面分布如圖7所示。由圖7可知，方案A2B煤巷頂?shù)装逄幱谒苄云茐牡姆秶鸀?～1.4 m，頂?shù)装逡约羟衅茐臑橹鳎瓟嗥茐臑檩o。兩幫破壞程度較小，最大深度為1.5 m左右。

圖7 方案A2B塑性區(qū)平面分布圖

在應力集中方面，與方案A1B相比，方案A2B煤巷受采動影響引起的最大主應力集中系數(shù)小約0.1。方案A1B煤巷頂板下沉量大于1000 mm，支護失去作用；方案A2B煤巷頂板下沉量最大值為300 mm。方案A2B煤巷水平位移有所減小，巷道圍巖移近量為400 mm，兩幫沒有產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。綜合考慮支護成本及施工速度，方案A2B為最優(yōu)支護方案。

4 優(yōu)化方案現(xiàn)場礦壓觀測

為了在現(xiàn)場實踐中驗證優(yōu)化支護方案的可行性，在2203工作面回風巷道中設置50 m試驗段，在試驗段中采用優(yōu)化的A2B方案進行支護。分別在50 m試驗段和50 m原方案支護段，均勻設置測站，對巷道圍巖的移近量、巷道頂板變形離層情況及錨桿索的受力進行監(jiān)測。

在2203回風巷掘進及維護期間，對相關礦壓顯現(xiàn)指標進行了5個月的連續(xù)觀測。在試驗段的巷道最大頂板下沉量為240 mm，兩幫移近量最大值為360 mm，沒有發(fā)生明顯的離層現(xiàn)象。在采用原支護方案段的巷道最大頂板下沉量為230 mm，兩幫移近量為330 mm，巷道頂板沒有離層發(fā)生。

優(yōu)化后的支護方案在巷道圍巖控制效果上與原支護方案差別不大，都可以滿足該礦安全生產(chǎn)的需求。但在一定程度上降低了支護密度，可以有效提高巷道支護的效率，降低支護成本。

5 結(jié)論

(1)基于原有的支護方式，提出了煤巷頂板支護方式不同的兩種方案，兩種方案的區(qū)別在于錨桿、錨索間排距及布設位置不同。

(2)在應力方面，方案A1B、A2B的應力集中系數(shù)分別為2.8137和2.7146，巷道兩幫應力集中區(qū)范圍集中在底板角，靠近底板處達到最大值，但是兩種方案的主卸載區(qū)范圍相差0.2 m。

(3)在塑性區(qū)方面，方案A2B煤巷頂板塑性區(qū)范圍比方案A1B增加0.4 m，兩幫破壞范圍大致相同。綜合應力及塑性區(qū)范圍、支護成本，選擇方案A2B為最優(yōu)支護方案。

(4)通過現(xiàn)場實踐表明，優(yōu)化設計的A2B方案可以有效控制回采巷道的圍巖變形，在一定程度上提高了支護效率，有利于礦井的安全高效生產(chǎn)，對該礦條件相似巷道的支護設計具有借鑒意義。

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(責任編輯 陶 賽)

Optimization study on support parameters of shallow coal seam roadway with soft and thin bed rock

Qian Ruipeng1, Yu Haifeng2, Li Meng2

(1. Polytechnic Institute, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030027, China;2.Anju Coal Mine, Jining Mining Industry Group Co., Ltd., Jining, Shandong 272000, China)

Aiming at supporting problems such as high supporting density, high cost and complex construction in China western mining area where coal roadway is in the shallow seam and the bed rock is thin, two kinds of supporting schemes were put forward based on the engineering background of supporting optimization for roadway of 2203 working face of a certain mine. The surrounding rock deformation and stress distribution in two different supporting conditions were simulated and analyzed by the numerical simulation software COMSOL. The result showed that the stress concentration factor in roadway roof of scheme A1B and A2B each were 2.8137 and 2.7146, the stress concentration area of two side coal walls was at the corner of roadway floor; the roof plastic zone range of A2B increased 0.4 m compared to A1B, the destruction range of coal walls was roughly the same. Through the comparison of the stress and plastic zone, combined with support cost and construction speed, scheme A2B was selected to be the better one. Field practice showed that the optimized support scheme could meet the requirements of roadway surrounding rock control, which is conducive to the safe and efficient production of the mine.

soft and thin bed rock, shallow seam, coal roadway, support optimization

錢瑞鵬，于海峰，李猛. 軟薄基巖淺埋煤巷支護參數(shù)優(yōu)化研究 [J] . 中國煤炭，2017，43(2)：63-67. Qian Ruipeng, Yu Haifeng, Li Meng. Optimization study on support parameters of shallow coal seam roadway with soft and thin bed rock [J] . China Coal，2017，43(2)：63-67.

TD823.7

A

錢瑞鵬(1989-)，山西孝義人，碩士研究生學歷?，F(xiàn)于太原理工大學現(xiàn)代科技學院任教，主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。