高鳳偉，張志佳

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046600)

淺埋深煤層由于其特殊的賦存條件，礦壓顯現(xiàn)具有如下特征：工作面來(lái)壓步距小，來(lái)壓強(qiáng)烈；工作面煤炭采出后頂板基巖沿全厚切落，基巖冒落角較大，冒落直接波及地表，采空區(qū)上覆巖層基本上分“兩帶”即冒落帶和裂隙帶；來(lái)壓的主要特征是頂板沿煤壁產(chǎn)生切落并出現(xiàn)臺(tái)階下沉。其礦壓特征受諸多因素的影響，如地表松散層厚度、基巖層厚度、地表地形、上覆巖層性質(zhì)等客觀地質(zhì)因素和采高、推進(jìn)速度等主觀可控因素。

因此，根據(jù)淺埋煤層的賦存條件和礦壓顯現(xiàn)特征，研究巷道頂板受力狀態(tài)和主控因素，以優(yōu)化回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，在確保安全生產(chǎn)的條件下，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和巷道每米掘進(jìn)的工作量，提高巷道的掘進(jìn)效率。

1 工程概況

某礦井15號(hào)煤層位于太原組一段頂部，泥巖之下，地面標(biāo)高為+635.00～+550.00 m，埋深為85.00～180.00 m，煤層厚1.40～3.40 m，平均厚2.80 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般含0～2層矸石，矸石成分多為炭質(zhì)泥巖或灰黑色泥巖。其直接頂為泥巖，基本頂為K2灰?guī)r；底板多為灰黑色泥巖，見(jiàn)表1.

表1 15#煤層頂?shù)装迩闆r表

15號(hào)煤層工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽均設(shè)計(jì)為矩形斷面，掘進(jìn)寬度為4 200 mm，掘進(jìn)高度為2 900 mm，掘進(jìn)斷面積為12.18 m2；凈寬為4 000 mm，凈高為2 800 mm，凈斷面積為11.2 m2，采用錨網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)，原支護(hù)設(shè)計(jì)根據(jù)工程類別法進(jìn)行，錨桿長(zhǎng)2.4 m，間排距0.8 m×0.8 m，錨索長(zhǎng)6.3 m，間排距2 m×1.6 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，巷道圍巖無(wú)變形，巷道整體支護(hù)強(qiáng)度過(guò)大，不僅造成支護(hù)材料的浪費(fèi)，而且嚴(yán)重影響了巷道掘進(jìn)速度。因此，亟需采用現(xiàn)代支護(hù)理念進(jìn)行巷道優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 巷道頂板力學(xué)模型的建立與分析

回采巷道在錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)作用下，巷道頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)控頂范圍內(nèi)巖層可看作梁結(jié)構(gòu)，考慮到巖層的巖性和構(gòu)造特點(diǎn)，可用彈塑性理論求解。因此運(yùn)用Timoshenko梁理論計(jì)算，建立錨桿(索)支護(hù)條件下梁的載荷力學(xué)計(jì)算模型，見(jiàn)圖1，圖中豎向均布荷載為q，不同錨網(wǎng)索施加在頂板巖梁的集中載荷分別為p1、p2、p3、p4和p5，與集中力相對(duì)應(yīng)的符號(hào)ξ1、ξ2、ξ3、ξ4和ξ5分別是該力作用于梁上點(diǎn)在X軸向上的坐標(biāo)值。根據(jù)研究對(duì)象自身結(jié)構(gòu)和受力條件的對(duì)稱性特點(diǎn)，定義邊界力為Q0和M0，依據(jù)不同載荷展開(kāi)計(jì)算。

圖1 巷道頂板圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型圖

假設(shè)巷道頂板承受均布荷載q和集中力(p1、p2和p3)共同作用時(shí)，根據(jù)Timoshenko梁的平衡方程，則數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

在巷道中采用錨網(wǎng)索支護(hù)控制頂板巖層，除了應(yīng)考慮上面關(guān)于對(duì)梁結(jié)構(gòu)變形的計(jì)算外，還應(yīng)考慮梁兩端巖體自身抗拉(或剪)破壞的能力。根據(jù)梁結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性，可求得梁兩端的支承反力R即：

通過(guò)上述計(jì)算分析表明：

1) 在錨網(wǎng)索支護(hù)下，集中載荷p2的主要作用是控制頂板彎曲下沉，當(dāng)p2值增大時(shí)頂板下沉量減少，集中載荷p1和p3對(duì)頂板變形的影響，要考慮載荷大小和載荷作用點(diǎn)位置這兩方面的因素。

2) 似連續(xù)體短梁兩端作用在兩幫的支承反力隨l和q的增大而增大，但隨集中載荷p1、p2、p3和p4的增大而減小。

因此，設(shè)計(jì)錨網(wǎng)索支護(hù)方案必須考慮支護(hù)強(qiáng)度(或密度)和錨桿(索)布置方式兩方面因素。

3 數(shù)值模擬計(jì)算與分析

1) 計(jì)算模型及參數(shù)設(shè)定。

15號(hào)煤層回采巷道在地層中所處最深處約150 m，地應(yīng)力邊界條件根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行施加，垂直應(yīng)力3.75 MPa，水平應(yīng)力設(shè)置2.5 MPa，選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，模型采用cable單元模擬錨桿和錨索。模擬支護(hù)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2.

表2 支護(hù)設(shè)計(jì)方案參數(shù)表

2) 數(shù)值模擬計(jì)算與分析。

數(shù)值模擬計(jì)算見(jiàn)圖2,圖3,圖4. 方案一回采巷道頂板最大下沉量為57 mm，最大底鼓量為60 mm，兩幫最大水平位移量為56 mm；方案二回采巷道頂板最大下沉量為134 mm，最大底鼓量為122 mm，巷幫最大水平位移量為142 mm，即兩幫最大移近量為284 mm，巷道變形量在允許范圍內(nèi)，能夠滿足巷道使用用途和安全性；方案三回采巷道頂板最大下沉量為207 mm，最大底鼓量為162 mm，巷幫最大水平位移量為202 mm，即兩幫最大移近量為404 mm，巷道變形量超出了允許范圍，不能夠滿足巷道安全使用。

圖2 支護(hù)方案計(jì)算模型圖

圖3 支護(hù)方案垂直位移云圖

圖4 支護(hù)方案水平位移云圖

根據(jù)煤礦回采巷道圍巖變形量要求，頂?shù)装寮皟蓭鸵平坎淮笥?00 mm，并考慮經(jīng)濟(jì)、掘進(jìn)速度及服務(wù)時(shí)間等影響因素，最終確定采用方案二作為回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及支護(hù)效果評(píng)價(jià)

1) 監(jiān)測(cè)方案。

回采巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后錨桿(索)受力監(jiān)測(cè)斷面設(shè)備布置見(jiàn)圖5，在監(jiān)測(cè)斷面布置了8根測(cè)力錨桿，2個(gè)錨索測(cè)力計(jì)。

圖5 巷道監(jiān)測(cè)斷面布置圖

2) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。

a) 測(cè)力錨桿各測(cè)點(diǎn)的受力大小不一，受力范圍為33.5～65.3 kN，最大值出現(xiàn)在頂板11號(hào)和12號(hào)測(cè)力錨桿，11號(hào)錨桿最大值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)六位置，為61.5 kN，較初始值36.0 kN增加了70.83%；12號(hào)錨桿最大值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)六位置，為65.3 kN，較初始值43.9 kN增加了48.75%，增加幅度較大，見(jiàn)圖6.

圖6 測(cè)力錨桿監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析曲線圖

b) 同巷道原支護(hù)方案測(cè)力錨桿最大值為53.2 kN相比，優(yōu)化后測(cè)力錨桿的最大值增加了22.7%，且增加幅度較大。

c) 所有測(cè)力錨桿不同段受力遠(yuǎn)低于錨桿的屈服荷載125 kN，頂板處于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

d) 3號(hào)錨索測(cè)力計(jì)的讀數(shù)為199.06～208.44 kN，增加幅度為4.71%，4號(hào)錨索測(cè)力計(jì)的讀數(shù)為203.25～211.42 kN，增加幅度為4.02%，增加幅度均較小，遠(yuǎn)低于錨索破斷載荷538 kN. 同巷道原支護(hù)方案相比，錨索受力變化不大，見(jiàn)圖7.

圖7 錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

e) 通過(guò)監(jiān)測(cè)巷道支護(hù)構(gòu)件錨桿(索)的受力狀況，表明支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后錨桿(索)受力處于合理范圍，巷道頂板處于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

回采巷道支護(hù)優(yōu)化后材料消耗見(jiàn)表3，與原支護(hù)方案成本對(duì)比見(jiàn)表4，優(yōu)化后巷道支護(hù)各項(xiàng)成本降低了16.7%～19.0%，提高了礦井的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 回采巷道支護(hù)優(yōu)化后材料清單表

表4 回采巷道原方案與優(yōu)化后方案支護(hù)成本對(duì)比表

6 結(jié) 論

1) 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，支護(hù)構(gòu)件錨桿(索)受力均在合理范圍之內(nèi)，巷道頂板處于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)，巷道圍巖控制效果較好。

2) 根據(jù)回采巷道煤層頂板特征，將原設(shè)計(jì)錨桿的排距從1.0 m提高到1.2 m，相應(yīng)錨索排距從2.0 m提高到2.4 m，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和巷道掘進(jìn)每米的工作量，巷道掘進(jìn)效率提高了將近20%；巷道支護(hù)各項(xiàng)成本降低了16.7%～19.0%，提高了礦井的經(jīng)濟(jì)效益。