辛?xí)詵|,王 榮

(潞安化工集團(tuán)能源事業(yè)部 李村煤礦，山西 長治 046600)

錨桿錨索支護(hù)技術(shù)問世以來，在煤礦支護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用，隨著支護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，為煤礦安全高效生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)[1-3]。面對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜的巷道，礦井普遍通過加大錨桿、錨索的支護(hù)密度來提高巷道的支護(hù)強(qiáng)度，但未能有效解決巷道的變形問題，還會(huì)增加支護(hù)時(shí)間，造成掘進(jìn)緩慢[4-6]。本文以李村煤礦底抽巷為研究背景，通過對(duì)空頂距等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，減少了作業(yè)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了快速掘進(jìn)。

1 工程背景

李村煤礦3301進(jìn)風(fēng)底抽巷沿著3號(hào)煤底板下方10 m位置沿底板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)長度1 438.37 m，用于瓦斯提前預(yù)抽，掩護(hù)3301進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)，其巷道布置位置如圖1所示。3301進(jìn)風(fēng)底抽巷設(shè)計(jì)為直墻半圓拱形斷面，掘進(jìn)斷面為13.57 m2，掘進(jìn)寬度4 500 mm，掘進(jìn)高度3 500 mm。3號(hào)煤層厚度平均為5 m，傾角平均為10°，直接頂為砂質(zhì)泥巖，直接底為泥巖，節(jié)理不發(fā)育，層理穩(wěn)定。

圖1 3301進(jìn)風(fēng)底抽巷位置布置

2 合理空頂距的確定

借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件，結(jié)合3301進(jìn)風(fēng)底抽巷實(shí)際地質(zhì)條件，構(gòu)建計(jì)算模型，見圖2。采用 Mohr -Coulomb屈服準(zhǔn)則，且對(duì)模型下、左及右邊界進(jìn)行固定位移約束，其尺寸大小為：x方向30 m，y方向50 m、z方向64 m。根據(jù)煤巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)及相關(guān)地質(zhì)資料，總結(jié)可得表1參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)分組賦參，分別得出1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m及 3.5 m循環(huán)進(jìn)尺空頂距條件下模型各頂板垂直應(yīng)力云圖及垂直位移云圖(見圖3、圖4)。

圖2 數(shù)值模擬模型

圖3 不同循環(huán)步距時(shí)頂板垂直應(yīng)力云圖

圖4 不同循環(huán)步距時(shí)頂板垂直位移云圖

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

由圖3可知，巷道掘進(jìn)后的垂直應(yīng)力分布在迎頭處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，即在掘進(jìn)工作面前方由應(yīng)力局部增高，應(yīng)力集中效應(yīng)主要分布于迎頭前方15 m到后方5 m的范圍內(nèi)，在應(yīng)力集中區(qū)域前方依舊處于原巖應(yīng)力，而已支護(hù)區(qū)域逐漸穩(wěn)定。

由圖4可知，在循環(huán)步距為1 m及1.5 m條件下時(shí)，掘進(jìn)迎頭處巷道頂板并未發(fā)生明顯的下沉，且未支護(hù)區(qū)域內(nèi)的頂板下沉量比支護(hù)段的還要?。辉谘h(huán)步距為2 m、2.5 m及3 m條件下時(shí)，距離掘進(jìn)迎頭3m空頂區(qū)內(nèi)發(fā)生了較為明顯的頂板下沉，其中下沉最大值位于距迎頭1 m處；若將循環(huán)步距擴(kuò)大到3.5 m，在空頂區(qū)域內(nèi)發(fā)生了明顯的頂板下沉，頂板下沉的最大值也是位于距離迎頭1 m處。結(jié)合模擬分析結(jié)果，利用工程類比法，確定3301進(jìn)風(fēng)底抽巷選取3 m為掘進(jìn)空頂距。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 錨桿間距

在巷道斷面大小不變的條件下，若縮小錨桿間距，為使得巷道支護(hù)強(qiáng)度均勻分布，一定程度上會(huì)增加錨桿的數(shù)量，巷道附近由于錨桿支護(hù)作用形成的預(yù)應(yīng)力場也會(huì)隨之變化。如圖5所示，若錨桿間距為1 000 mm，錨桿間形成的壓應(yīng)力場未能很好地形成完整的應(yīng)力場。適當(dāng)減小錨桿間距，當(dāng)錨桿間距為900 mm時(shí)，錨桿間壓力場能形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)；當(dāng)錨桿間距繼續(xù)減少至800 mm時(shí)，并未能加大錨桿壓應(yīng)力的控制范圍，反而還要加大支護(hù)成本。因此，頂板錨桿間距采用900 mm布置較適宜。

圖5 頂錨桿間距不同時(shí)巷道頂板的預(yù)應(yīng)力場分布

由于在直墻僅高1 250 mm，基于頂板錨桿間距為900 mm能形成完整的預(yù)應(yīng)力場，根據(jù)巷道的幾何參數(shù)，可知在幫部布置1根錨桿與頂錨桿形成的預(yù)應(yīng)力場能有效組合。

3.2 錨桿排距

當(dāng)錨桿排距為1 900 mm時(shí)，同一斷面的錨桿所形成的壓應(yīng)力場能有效形成一個(gè)整體，而相鄰兩排的錨桿壓應(yīng)力區(qū)不能有效連接在一起(見圖6)。在排距為1 300～1 700 mm時(shí)，同一斷面的錨桿所形成的壓應(yīng)力場之間能實(shí)現(xiàn)銜接，且鄰近兩排錨桿的壓應(yīng)力場也能相互形成一個(gè)完整有效的應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，從而擴(kuò)大預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散的范圍，巷道軸向上的圍巖通過錨桿將能有效支護(hù)。

圖6 不同錨桿排距時(shí)圍巖的預(yù)應(yīng)力場分布

結(jié)合對(duì)合理空頂距的研究，考慮到一定的安全系數(shù)，選取錨桿排距為1 500 mm，在3 m合理空頂距條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)“掘二支二”，節(jié)省掘支時(shí)間，進(jìn)一步提高掘進(jìn)效率。

3.3 錨索布置方式

由圖7可知，當(dāng)錨索采用2-0-2布置方式時(shí)，錨索端部能有效形成壓應(yīng)力區(qū)，其最大值可達(dá)0.16 MPa，但是該壓應(yīng)力區(qū)的作用范圍未能使得巷道在徑向上連接為一個(gè)整體，不能實(shí)現(xiàn)良好的支護(hù)；當(dāng)頂板錨索采用2-2-2或者2-1-2布置方式時(shí)，在錨索端部形成的壓應(yīng)力區(qū)域可在巷道的軸向、徑向上都能同時(shí)連接起來，形成整體的頂板穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，有明顯的支護(hù)效果，其中考慮到材料的消耗及支護(hù)工作時(shí)間的消耗，最后確定2-1-2布置方式作為在“掘二支二”快速掘進(jìn)方案下的錨索布置方式。

圖7 3301進(jìn)風(fēng)底抽巷不同頂板錨索排列方式時(shí)圍巖的預(yù)應(yīng)力場分布

4 現(xiàn)場應(yīng)用分析

在3301進(jìn)風(fēng)底抽巷現(xiàn)場采用上述支護(hù)方案，對(duì)巷道表面位移及錨桿、錨索受力進(jìn)行監(jiān)測，其監(jiān)測結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 巷道表面位移-推進(jìn)度

圖9 錨桿(索)受力情況

由圖8及圖9可知，錨桿、錨索可協(xié)同承載，先增加后趨于穩(wěn)定，與圍巖變形時(shí)間曲線趨勢相吻合，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖形成統(tǒng)一的承載體，保證了巷道圍巖穩(wěn)定，說明支護(hù)方案和支護(hù)參數(shù)的選擇是合理的。

5 結(jié) 語

利用FLAC3D數(shù)值模型軟件分析不同空頂距下巷道頂板的應(yīng)力環(huán)境及頂板下沉情況，確定李村煤礦3301進(jìn)風(fēng)底抽巷合理空頂距為3 m、錨桿采用900 mm×1 500 mm的間排距、錨索采用2 400 mm×3 000 mm的間排距及2-1-2的布置方式，圍巖變形控制良好，掘進(jìn)速度明顯提高，實(shí)現(xiàn)了礦井安全、高效的生產(chǎn)目標(biāo)。