賈靜偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖煤業(yè)大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)煤炭資源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占比約為70%，石油能源占比為7%，天然氣及其他能源占比為23%，可以明顯看出煤炭資源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的絕對(duì)主導(dǎo)地位。且在未來(lái)幾十年內(nèi)，煤炭資源的主體地位無(wú)法改變，煤炭資源作為我國(guó)基礎(chǔ)能源，其高效安全開(kāi)采是礦井開(kāi)采的重要目標(biāo)。但由于開(kāi)采年限的不斷增加，煤層開(kāi)采逐步向著埋深較大的煤層進(jìn)行轉(zhuǎn)移，由于工作面深度的增大，巷道的圍巖變形難以控制，巷道穩(wěn)定性受到較大威脅。巷道支護(hù)對(duì)于巷道穩(wěn)定性的維護(hù)十分重要[1-2]，但在巷道支護(hù)過(guò)程中，支護(hù)參數(shù)的合理十分重要，支護(hù)過(guò)當(dāng)會(huì)造成支護(hù)成本的增加，而支護(hù)不足則無(wú)法滿足巷道變形量控制要求，所以需要選定合理支護(hù)參數(shù)，來(lái)確保效益與安全的最大化[3-4]。本文以雁崖煤業(yè)為研究對(duì)象，對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為礦井安全開(kāi)采提供參考。

1 原有支護(hù)方案

礦井井田東西長(zhǎng)度為8.790 km，井田南北寬度為6.149 km，面積29.783 7 km2，礦井批準(zhǔn)開(kāi)采煤層9、10、11、12、13 號(hào)，煤層開(kāi)采深度700~980 m。目前9 號(hào)煤層已完成開(kāi)采，正開(kāi)采10 號(hào)煤層。礦井采用開(kāi)平硐開(kāi)拓方式，頂板采用全部垮落法進(jìn)行管理，開(kāi)采方式采用長(zhǎng)壁綜放開(kāi)采。10 號(hào)煤層為黑色，條痕褐黑色，煤層厚度為4~6.2 m，煤層平均厚度為4.8 m，煤層普氏硬度為1.4，煤層的傾角為0°～3°，煤層平均傾角為1.2°。

工作面順槽頂板選用Φ18 mm×1 800 mm 螺紋鋼錨桿，錨桿的間距、排距均為1 000 mm，每支錨桿采用三支CK2350 錨固劑進(jìn)行錨固，采用端頭錨固，錨桿的扭矩大于200 Nm，錨桿的錨固力大于50 kN，錨桿外露長(zhǎng)度設(shè)定為10~50 mm。巷道頂板錨索采用一根Φ15.24 mm× 8 000 mm 的鋼絞線。錨索選用Φ15.24 mm×8 000 mm。工作面順槽兩幫支護(hù)，錨桿選用3 根Φ18 mm×1 600 mm 玻璃鋼錨桿及3 根Φ18×1 600 mm 的圓鋼錨桿，錨桿錨固采用CK2350樹(shù)脂錨固劑，每根錨桿采用一支錨固劑，同樣采用端頭錨固，錨桿的間排距為1 000 mm、1 000 mm，設(shè)定錨桿的扭矩力大于100 N·m。巷道支護(hù)斷面圖如圖1所示。

圖1 原支護(hù)斷面圖（單位：mm）

礦井原有支護(hù)方案下巷道支護(hù)控制較差，所以對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，在保證礦井安全開(kāi)采的前提下，提高支護(hù)效率及支護(hù)經(jīng)濟(jì)效益。所以提出如下支護(hù)優(yōu)化方案，通過(guò)優(yōu)化順槽的支護(hù)強(qiáng)度，從而提高支護(hù)效率。通過(guò)降低錨桿的間排距及錨索布置等方式降低巷道支護(hù)成本。

對(duì)原有支護(hù)方案下的支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究，選定FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立模型尺寸100m×100 m×45 m 的模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，由于人為劃分網(wǎng)格時(shí)會(huì)存在一定的影響，所以選定隨機(jī)網(wǎng)格生成方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)模型進(jìn)行約束設(shè)定，固定模型左右及下部邊界的位移，在模型的上端部施加覆巖自重，根據(jù)巖石的容重及埋深計(jì)算可得施加的均布荷載為8.6 MPa，模型選定摩爾庫(kù)倫模型為本構(gòu)模型，對(duì)模型進(jìn)行物理參數(shù)設(shè)定，根據(jù)實(shí)際工作面巖層力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行設(shè)定，完成模型設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，如圖2 所示為原有支護(hù)方式下錨桿的應(yīng)力分布云圖。

圖2 原支護(hù)方案下巷道模擬云圖

由圖2 可以看出，在回采巷道選用原支護(hù)方案時(shí)，此時(shí)的巷道應(yīng)力云圖分布呈現(xiàn)對(duì)稱的趨勢(shì)，對(duì)稱軸為巷道的中軸線，在回采巷道的兩幫位移塑性區(qū)寬度大約為0.9 m，此時(shí)在巷道，兩幫塑性區(qū)位置的應(yīng)力最大值為5.5 MPa，應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在巷道四個(gè)角的位置。此時(shí)頂板巖層塑性區(qū)的發(fā)育高度大約為0.5 m，頂板出現(xiàn)部分卸壓趨勢(shì)，頂板的平均應(yīng)力值為1.5 MPa。在巷道的兩幫位置出現(xiàn)較大范圍的應(yīng)力集中，同時(shí)通過(guò)觀察塑性區(qū)分布情況可以發(fā)現(xiàn)，巷道發(fā)生塑性破壞的單元塊呈三角堆積狀分布在圍巖四周，在巷道的圍巖頂板及底板位置塑性變形單元數(shù)量較多。

2 支護(hù)方案優(yōu)化

根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)順槽支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，頂板支護(hù)選用Φ18 mm×2 000 mm 的礦用普強(qiáng)螺紋錨桿，間排距選定為1 200 mm、1 000 mm，每支錨桿采用一支CK2335 和一支K2350 錨固劑進(jìn)行錨固，在頂板采用冷拔絲網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，冷拔絲網(wǎng)的規(guī)格為5 400 mm×1 150 mm。錨桿托盤(pán)采用普強(qiáng)蝶形托盤(pán)，托盤(pán)尺寸為150 mm×150 mm×8 mm。兩幫采用Φ18 mm×1 800 mm 的玻璃錨桿及圓鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿的間排距為1 100 mm、1 200 mm，錨桿采用CK2335 錨固劑進(jìn)行錨固，兩幫采用冷拔絲網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，冷拔絲網(wǎng)的規(guī)格為3 000 mm×1 150 mm。錨桿同樣采用普強(qiáng)蝶形托盤(pán)，尺寸相同。同時(shí)采用Φ15.24 mm×8 000 mm 的鳥(niǎo)窩錨索進(jìn)行輔助支護(hù)，錨索托盤(pán)為高強(qiáng)度托盤(pán)，托盤(pán)尺寸為300 mm×300 mm×10 mm。頂板錨桿的扭矩設(shè)定為200~250 N·m，兩幫的錨桿的扭矩設(shè)定為玻璃錨桿50~100N·m，圓鋼錨桿扭矩設(shè)定為玻璃錨桿100~150 N·m，支護(hù)斷面圖如3 所示。

對(duì)優(yōu)化后的支護(hù)方案進(jìn)行模擬研究，優(yōu)化后支護(hù)方案模擬云圖如圖4 所示。

圖3 支護(hù)優(yōu)化后斷面圖（單位：mm）

圖4 支護(hù)優(yōu)化方案下巷道模擬云圖

從圖4 可以看出，在對(duì)回采巷道進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化后，即兩頂角錨桿傾斜75°，此時(shí)巷道兩幫形成的塑性區(qū)寬度雖然與未支護(hù)時(shí)沒(méi)有明顯的變化，但此時(shí)在兩幫位置的最大應(yīng)力有了一定的下降，應(yīng)力下降至5.0 MPa，與原支護(hù)方案對(duì)比，應(yīng)力的最大值降低了0.5 MPa，所以可以看出，設(shè)定頂角錨桿與巷道垂線角度并不會(huì)對(duì)巷道的兩幫塑性區(qū)有明顯的改善，但能夠改變兩幫的受力環(huán)境。觀察塑性區(qū)分布云圖可以看出，經(jīng)過(guò)支護(hù)優(yōu)化后，此時(shí)的頂板塑性區(qū)的塊數(shù)有了一定的下降，特別在順延斜錨桿方向。新支護(hù)方案對(duì)巷道的頂板應(yīng)力區(qū)分布有較大的影響，優(yōu)化后的頂板應(yīng)力區(qū)有所減弱，可以看出，優(yōu)化后的支護(hù)方案較支護(hù)前巷道穩(wěn)定性有了較大幅度的提升。

3 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)原有支護(hù)方案下在回采巷進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)在巷道兩幫位移塑性區(qū)寬度大約為0.9 m，兩幫塑性區(qū)位置的應(yīng)力最大值為5.5 MPa，巷道塑性破壞的單元塊呈三角堆積狀分布在圍巖四周。

2）根據(jù)原有支護(hù)方案及模擬結(jié)果，對(duì)順槽支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)降低錨桿的間排距及錨桿布置等方式，給出了順槽支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3）對(duì)優(yōu)化后的巷道應(yīng)力及塑性區(qū)分布進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后頂板塑性區(qū)的塊數(shù)有了一定的下降，新支護(hù)方案對(duì)巷道的頂板應(yīng)力區(qū)分布有較大的影響，頂板應(yīng)力區(qū)有所減弱，支護(hù)優(yōu)化較為成功。