王曉東

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦， 河南 平頂山 467000）

引言

煤礦巷道頂板由于硬度較小，在開采過程中容易出現(xiàn)下沉量過大等現(xiàn)象，并且由于頂板整體性較差，也極易產(chǎn)生離層和垮落，不僅給巷道的有效支護帶來較大難度，也對操作人員的人身安全造成一定威脅，當前巷道頂板冒頂已經(jīng)成為了制約巷道開采效率提升的重要因素之一。近年來，隨著科學技術的飛速發(fā)展，巷道支護技術不斷更新，該領域諸多學者針對軟弱復合頂板支護難問題進行了多角度分析和研究[1]。本文在此基礎上，選取某礦93210 膠運順槽為研究對象，設計了一種“內(nèi)+外層錨桿”的聯(lián)合支護方式，將該方式用于施工現(xiàn)場進行實地檢驗，該支護方式能夠在現(xiàn)有基礎上顯著提升巷道的支護效果，也為此類地質環(huán)境下的巷道支護方案提供了借鑒。

1 工程概況

本文選取某礦93210 膠運順槽為研究對象，該礦當前開采煤層為3-1 號煤，煤層均厚3.40 m，煤層傾角較小，近似水平，煤層儲量較為豐富，普氏系數(shù)約為1.2，開采面積較大。煤層直接頂?shù)闹饕煞譃槟鄮r，平均厚度為5.65 m，普氏系數(shù)約為1.9。老頂?shù)闹饕煞譃榉凵皫r，平均厚度為8.36 m，直接底的主要成分為泥巖，平均厚度為0.28 m，老底的主要成分為細砂巖，平均厚度為1.08 m。93210 工作面四周分別為已開采區(qū)域、實體煤區(qū)、采區(qū)大巷和邊界煤柱。

2 巷道原支護方案及存在的問題

2.1 巷道原支護方案

巷道掘進方向同底板走向一致，全長為2 290.18 m，能夠起到運煤和通風的作用。巷道斷面為矩形，寬度為5 400 mm，高度為2 800 mm。當前采用的支護方案為“錨桿+錨索+鋼帶”聯(lián)合支護的方式，具體參數(shù)如下：

1)頂板支護：巷道頂板錨桿選用螺紋錨桿，錨桿直徑為16 mm，長度為2 100 mm，相鄰錨桿間的距離為1 100 mm，兩排錨桿間的距離為1 000 mm，每排錨桿的數(shù)量為5 根。錨索選用樹脂錨索，錨索直徑為15.24 mm，長度為6 500 mm，相鄰錨索間的距離為2 500 mm，兩排錨索間的距離為3 000 mm，每排錨索的數(shù)量為2 根。

2）兩幫支護：巷道兩幫錨桿選用圓鋼螺母，錨桿直徑為16mm，長度為2 100 mm，相鄰錨桿間的距離為900 mm，兩排錨桿間的距離為800 mm。

2.2 存在的問題

現(xiàn)有支護方案存在的主要問題是支護強度難以滿足實際要求，由于巷道頂板的組成成分為砂巖和泥巖等，硬度較低，屬于軟弱復合頂板。因此在掘進過程中圍巖裂隙逐漸發(fā)育，應力狀態(tài)發(fā)生變化，使得圍巖變形量顯著增加，加之不同圍巖種類間的離層現(xiàn)象，使得頂板的整體性和支護效果進一步下降。

根據(jù)支護現(xiàn)場調(diào)查能夠發(fā)現(xiàn)，當前的支護方案雖然是采用多種支護方式聯(lián)合支護的形式，但是各種方式相互間缺少配合，頂板僅由錨索支護，兩幫僅由錨桿支護，整體支護強度較低，支護效果較差，使得頂板和兩幫均存在變形量過大等現(xiàn)象，降低了巷道的掘進效率。因此對于巷道的支護方案和相關參數(shù)進行優(yōu)化具有實際意義。

3 優(yōu)化支護方案設計及數(shù)值模擬分析

3.1 優(yōu)化支護方案

內(nèi)層錨桿的主要作用是提升圍巖的整體性，長錨桿的主要作用是加深錨固區(qū)域，使得錨固區(qū)域能夠避開圍巖破碎區(qū)域，提升圍巖的錨固效果。兩者相結合能夠顯著提升巷道的整體支護強度。

采用“內(nèi)+外層錨桿”的聯(lián)合支護方案，巷道頂板內(nèi)層錨桿選用左旋螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2.5 m，相鄰錨桿間的距離為600 mm，兩排錨桿間的距離為600 mm，巷道兩幫選用左旋螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2.5 m，相鄰錨桿間的距離為800 mm，兩排錨桿間的距離為800 mm。外層錨桿選用自進式注漿長錨桿，錨桿長度為6.5 m，相鄰錨桿間的距離為800 mm，兩排錨桿間的距離為600 mm，錨桿和頂板的夾角為20°。錨桿固定完畢后立即進行噴漿處理，優(yōu)化支護方案布置圖如圖1 所示。

3.2 數(shù)值模擬分析

利用FLAC3D 軟件將巷道的模型和相應的支護方案導入其中，通過計算機輔助支護的方式進行數(shù)值模擬，比較兩種支護方案下支護效果的區(qū)別。

模型長度為50 m，寬度為2 m，高度為18 m，綜合考慮計算機處理速度和精確程度，將模型劃分為41 350 個單元、61 095 個節(jié)點，取g=9.8 m/s。在模型的頂部設置應力載荷，其余各處設置邊界約束。

3.3 頂板變形監(jiān)測

不同支護方案的支護效果可由頂板變形監(jiān)測曲線反映出來，由圖2 不難看出，相較于原有支護方案，優(yōu)化后的支護方案頂板變形量最大值為15.2 mm，相較于原來減少了接近50%。由此可見，新型支護方案適用于軟弱復合頂板的支護，能夠顯著提升頂板的整體性和穩(wěn)定性。

4 應用效果分析

在巷道的指定位置使用JSS30A 數(shù)顯收斂計對巷道的圍巖變形進行實時監(jiān)測，將監(jiān)測所得數(shù)據(jù)繪制出圍巖變形速率以及變形量曲線圖，通過圖像對不同支護方案的支護效果進行比較，巷道圍巖變形量曲線圖如圖3 所示。

使用優(yōu)化后的支護方案，頂板的最大變形量為19.2 mm，兩幫的最大變形量為5.8 mm，相較于原有的支護方案分別減少了59.8%和54.9%。由此可見，優(yōu)化后的支護方案作用效果顯著。

5 結語

本文選取某礦93210 膠運順槽巷道作為研究對象，針對軟弱復合頂板現(xiàn)有支護效果較差等問題進行分析研究，主要結論如下:

1）對現(xiàn)有支護參數(shù)和支護方案進行優(yōu)化，采用計算機輔助計算的方式確定了優(yōu)化后參數(shù)的可行性。

2）巷道頂板、兩幫最大變形量相較于原有的支護方案分別減少了59.8%和54.9%，由此可見，優(yōu)化后的支護方案支護效果顯著提升，能夠滿足軟弱復合頂板的支護要求。