王碧光

(大同煤礦集團宏泰礦山工程建設有限責任公司，山西 大同 037003)

0 引言

BIM是建筑信息模式化(Buliding Information Modeling)的首字母縮寫，是可視化技術在工程項目當中的具體應用。在將工程項目對應的剖面切面都以直觀可見的圖表形式展現(xiàn)時，需要用到力學模擬、物理引擎等重要的三維建模手段[1]。其主要思想是將整個建筑工程的每一環(huán)節(jié)模型化，在這種模型化的基礎上輔助以可視化三維模擬技術，就可以達到對工程過程和結(jié)果一目了然的效果[2-5]。運用BIM技術手段，將礦井掘進工作面模塊化為一個數(shù)學模型，在此基礎上本著本質(zhì)安全的原則，利用統(tǒng)計學推演尋找出關于支護精簡的優(yōu)化解法，以期提高礦井支護的可靠性。

1 優(yōu)化支護設計的基礎

圍巖極不穩(wěn)定等級的礦井，所受地質(zhì)條件影響較大，掘進過程中對巷道頂板和幫部進行支護時難度通常很大，易發(fā)生頂板安全事故[6-9]。一般大型綜采礦區(qū)全年原煤產(chǎn)量維持在2 000萬t左右，這就要求每年至少要回采3個工作面才能滿足產(chǎn)量需求，所以對工藝改進的需求較為迫切。

支護設計方案是確保頂板安全的基礎，提高頂板安全施工水平，需要優(yōu)化支護設計[10-12]。綜采工作面的支護形式主要由錨桿、錨索、工字鋼梁、金屬網(wǎng)聯(lián)合組成，通過在井下的實際應用，發(fā)現(xiàn)該方案存在支護強度浪費，支護工藝較為繁瑣的問題。經(jīng)過礦井工程設計人員的計算，巷道在支護完成后，其圍巖應力分布主要集中在工作面的頂部及底部，而兩幫的應力強度較小，這就為支護方案的改進提供了可能。在礦山數(shù)據(jù)的可視化進程中，對巖層的應力分布模式的圖表表述應當遵守嚴格的著色標準和說明體系，圖1為數(shù)值模擬后顯示出的綜采巷圍巖應力分布情況。由圖1可見，巷道的承壓較大的區(qū)域主要集中在頂部和底部，局部最大承受應力達到了8.1×104kPa。

圖1 綜采工作面巷道圍巖應力分布

2 新型錨索支護

2.1 優(yōu)化方案

在掌握巷道的圍巖應力分布情況后，從支護材料以及支護強度的優(yōu)化入手，首先對巷道幫部的支護進行了簡化，由原來的每排8根(兩幫各4根)，調(diào)整為每排6根，并引入新型支護材料JM錨索鋼梁來代替11#礦用工字鋼梁。頂部錨桿的長度縮減到2 500 mm，把幫部的錨桿長度縮減到2 000 mm，將錨索的間距1 800 mm，排距1 800 mm，分別調(diào)整為2 000 mm和2 700 mm，錨索直徑由φ17.8 mm調(diào)整為φ21.8 mm，錨索變粗后能夠在不增加支護工作的前提下更好地應付增大后的頂端應力，幫部錨桿的間、排距離由原來的900 mm、900 mm，調(diào)整為1 000 mm和900 mm。將原支護中的4 800 mm長11#礦用工字鋼更改為4 500 mm長的JM錨索梁。

2.2 優(yōu)化后的優(yōu)點

支護質(zhì)量及維護優(yōu)勢：圖2為綜采巷支護優(yōu)化后的斷面圖。通過使用JM鋼帶代替11#礦用工字鋼支護巷道，錨索失效現(xiàn)象明顯減少，巷道頂板支護質(zhì)量得到有效提高，這種操作在一定程度上減輕了巷道后期維護難度。JM錨索鋼帶的使用降低了掘進巷道的支護成本，而且減少了巷道回采期間的維護費用，每年可節(jié)約支護費用70余萬元。由于JM錨索鋼帶重量僅為11#礦用工字鋼梁的1/4，它的使用大大減輕了工人的勞動強度，支護效率也會提高不少。采用這種新型支護材料，在巷道地質(zhì)條件較差、圍巖較破碎時，可以有效控制巷道變形，鋼帶撕裂的現(xiàn)象也明顯減少。

圖2 綜采工作面巷道支護優(yōu)化后的斷面圖

減少支護成本：采用優(yōu)化后的支護方案，如圖2所示，錨桿支護每100 m減少使用81根錨桿，每根錨桿支護費用為161.74元(含材料、人工、機修等費用)，則新支護方案錨桿費用節(jié)約13 100元。JM錨索梁替換11#工字鋼后，由于11#礦用工字鋼的單價較JM錨索梁高約20元，因此每100 m巷道節(jié)約費用約20 014元；錨索間排距擴大后，每100 m巷道減少錨索支護32根，可節(jié)約錨索費用約36 514元。優(yōu)化后的支護方案，不但節(jié)約了巷道成本支出，同時將支護方案變得更加合理，該強支護的地方加強支護，該弱支護的地方則減弱支護強度，避免了密集支護帶來的高強度勞動量，間接避免了由于工作強度過大，員工疲勞操作而造成的安全隱患。

3 深化工藝改革和支護材料優(yōu)化

3.1 工藝改革

樹脂錨固劑的安放工藝：在綜采礦區(qū)的綜采工作面支護施工環(huán)節(jié)，鉆機施工好錨索安裝孔后，第一步就是樹脂錨固劑(樹脂藥)的安放，一般錨索支護需要裝入至少3根錨固劑。正常的施工工藝是一根接一根的將錨固劑裝入孔中，但這樣的工藝存在著一定的安全隱患。一是在裝入錨固劑的過程中，施工人員是站在臨時支護下進行操作的，而臨時支護對巷道圍巖的支撐效果有限；二是在頂板條件較差時，由于煤體破碎，鉆孔壁不夠光滑，普通的錨固劑裝入工藝很難實現(xiàn)連續(xù)裝藥，往往裝到第二支就卡在鉆孔中無法繼續(xù)安裝，以往的解決辦法是再重新施工一個錨索安裝孔，然后再次裝藥。

推引錨固技術：創(chuàng)新性地提出了推引錨固技術，如圖3所示，即將3根錨固劑用U型卡鏈成一體，成為一根完整的錨固劑，然后再進行裝填。這樣做有兩大好處，一是增加了錨固劑剛度，可以很好地應對破碎頂板，不會出現(xiàn)被卡的問題；二是可節(jié)約2/3的時間。采用推引錨固技術可以降低由于裝填時間過長而帶來的安全風險，為安全生產(chǎn)施工提供了可靠的技術保障。

圖3 樹脂錨固劑新舊裝填方案示意圖

3.2 支護材料優(yōu)化

支護材料管理的優(yōu)化：在做好支護方案優(yōu)化的同時，必須嚴格執(zhí)行支護材料質(zhì)量檢驗制度，不合格材料嚴禁入井。施工單位所采購的每一批支護材料必須有支護材料合格證及材料檢驗合格報告，材料入井前必須向技術部門提供相關檢驗資料，經(jīng)審核通過后方可入井。同時技術部門應當定期對支護材料進行抽樣送檢，以確保支護材料的質(zhì)量滿足設計要求。

恒阻大變形錨索：傳統(tǒng)的預應力錨索容易受影響而產(chǎn)生造成預應力錨索支護體系的失效，進而引發(fā)工程冒頂，成為了井巷掘進施工中最棘手的問題。針對掘進工作面的地質(zhì)條件，選用恒阻大變形錨索作為關鍵支護設備是一種較為有效、經(jīng)濟的支護方案。恒阻大變形錨索是具有抵抗沖擊、適應圍巖大變形的高恒阻、高強度、高預緊力的支護材料，它和傳統(tǒng)預應力錨索的主要差別是具有“讓中有抗，抗中有讓，防斷恒阻”的特性，可有效阻止巷道頂板的離層和錯動，且支護原理比較明了，圖4為恒阻大變形錨索支護原理示意圖。當圍巖發(fā)生大變形時，恒阻裝置能夠在保持恒定支護阻力的狀態(tài)下產(chǎn)生一定長度的延伸(最大500 mm)，從而防止錨索因延伸過大而產(chǎn)生破斷。

圖4 恒阻大變形錨索支護原理示意圖

4 結(jié)語

在礦井綜采工作面支護過程中，結(jié)合BIM技術，進行支護方案的優(yōu)化設計和工藝改革，具有一定的可行性。在成本方面，優(yōu)化后的支護方式具有更強的競爭力，該優(yōu)化方式和思路值得借鑒和推廣。