徐寶軍

（陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西榆林 719300）

0 引言

我國(guó)西北廣泛賦存著淺埋煤田，是21 世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源基礎(chǔ)[1]。我國(guó)煤礦的開采方式主要以井下巷道工程為主，巷道的穩(wěn)定及通暢是安全生產(chǎn)的必要條件[2]。掘進(jìn)工作面作為煤礦生產(chǎn)的重要區(qū)域在生產(chǎn)作業(yè)中的安全問(wèn)題更加需要關(guān)注。但保障巷道安全暢通導(dǎo)致支護(hù)成本增加。因此在安全開采的前提下優(yōu)化開拓巷道的掘進(jìn)方式及支護(hù)設(shè)計(jì)，降低巷道延米費(fèi)用的研究至關(guān)重要。郭東明[3]等結(jié)合FLAC 數(shù)值分析方法與非對(duì)稱性耦合支護(hù)理論，分析巷道圍巖破壞機(jī)理并提出大傾角極軟厚煤層的支護(hù)優(yōu)化方案。王智欣、李曉輝[4-5]等以實(shí)際工程為研究對(duì)象，結(jié)合數(shù)值模擬等方法，對(duì)相關(guān)工程的巷道支護(hù)布置等進(jìn)行優(yōu)化研究。

煤礦3-1 煤開拓巷道正在掘進(jìn)，具有支護(hù)成本過(guò)高等問(wèn)題。因此，研究采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)煤礦3-1 煤開拓巷道進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化，符合礦區(qū)大成本體系建設(shè)要求，確保安全的同時(shí)降低巷道延米費(fèi)用，為以后同類型的煤礦生產(chǎn)提供有效的技術(shù)支持。

1 開拓巷道圍巖松動(dòng)圈規(guī)律實(shí)測(cè)及塑性區(qū)研究

研究使用三維數(shù)字鉆孔成像系統(tǒng)作為圍巖松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)儀器，設(shè)置斷面對(duì)3-1 煤開拓巷道的不同階段進(jìn)行三維數(shù)字鉆孔成像。分析開拓巷道數(shù)字鉆孔內(nèi)圍巖裂隙發(fā)育及破碎情況。鉆孔監(jiān)測(cè)結(jié)果及圍巖演化規(guī)律見表1，頂板松動(dòng)圈范圍1.5 m 左右，兩幫松動(dòng)圈厚0.7 m 左右。由于沒有采動(dòng)的影響，松動(dòng)圈基本穩(wěn)定。考慮到3-1 煤開拓巷泥巖偽頂?shù)馁x存條件，為了保證盤區(qū)巷道的長(zhǎng)期安全實(shí)用，3-1 煤開拓巷道具有一定的優(yōu)化空間，但需調(diào)整掘進(jìn)方式。

表1 開拓巷道圍巖松動(dòng)圈范圍

2 開拓巷道掘進(jìn)方案優(yōu)化研究

由于北二盤區(qū)3-1 煤頂板賦存泥巖偽頂，則綜合考慮以下兩種掘進(jìn)優(yōu)化方式：①不留頂煤，沿底板掘進(jìn)，掘煤層（2.7 m）+偽頂（0.7 m）；②留頂煤300 mm，拉底1000 mm，掘煤2400 mm。為了使優(yōu)化設(shè)計(jì)更符合實(shí)際，故采用布設(shè)試驗(yàn)段的方式對(duì)兩種方法分別進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，建議3-1 煤開拓巷道采掘設(shè)備由30M4-NP 型連續(xù)采煤機(jī)更換為MB670 型掘錨機(jī)，并配合采用“留頂煤、沿底掘”的掘進(jìn)方案。設(shè)置實(shí)驗(yàn)段后發(fā)現(xiàn)該掘進(jìn)方案及相應(yīng)支護(hù)方案設(shè)計(jì)滿足開拓巷道長(zhǎng)久運(yùn)營(yíng)的要求。

3 開拓巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）原有支護(hù)形式。原設(shè)計(jì)采用工程類比法設(shè)計(jì)，巷道頂板錨桿規(guī)格為Φ20×2600 mm，間排距1100 mm×1000 mm，其中每排5 根并施加100 kN 預(yù)緊力。頂板錨索規(guī)格采用Φ17.8×7300 mm，每排兩根。而幫部錨桿規(guī)格Φ18×1800mm，間排距1200 mm×1000 mm，每幫3 根。

（2）考慮松動(dòng)圈演化的“自然平衡拱理論”支護(hù)優(yōu)化?？紤]松動(dòng)圈演化[6]的自然平衡拱設(shè)計(jì)理論是在自然平衡拱理論的基礎(chǔ)上提出的。理論假定巷道高度范圍為巖層厚度，巖層以上為巖層。對(duì)上覆巖層的作用力進(jìn)行分類，更加合理的對(duì)巷道圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以巷道掘進(jìn)期間時(shí)上覆巖層壓力變化規(guī)律來(lái)分析并進(jìn)行3-1 煤開拓巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)理論計(jì)算，優(yōu)化后的3-1 煤層巷道支護(hù)方式如圖1 所示。

圖1 掘進(jìn)方式優(yōu)化后3-1 煤層巷道優(yōu)化后斷面布置

由于巷道掘進(jìn)方式優(yōu)化，斷面尺寸5200 mm×3400 mm 變更為5600 mm×3250 mm。根據(jù)理論計(jì)算，優(yōu)化后的具體參數(shù)為巷頂板錨桿間排距由1100 mm×1000 mm 優(yōu)化為1000 mm×1200 mm，頂部最外側(cè)錨桿距幫300 mm，每排6 根。頂板錨索間排距由2000 mm×2000 mm 每排兩根優(yōu)化為2000 mm×2400 mm，“一二一”（三花眼）布置。兩幫錨桿間排距由1500 mm×1000 mm 優(yōu)化為1500 mm×1200 mm，每幫為2 根錨桿。網(wǎng)片為直徑6 mm 圓鋼，網(wǎng)格80 mm×80 mm。并且由于盤區(qū)大巷為永久大巷，且頂板富水，為了保證大巷的長(zhǎng)期安全實(shí)用，達(dá)到本質(zhì)安全，錨桿索及金屬網(wǎng)均采用新型防腐產(chǎn)品，鋼筋梯字梁換為T 形140 鋼帶，托盤使用新型礦用FRD 鋼托。

4 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬

（1）模型建立。為了驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)方案的可行性，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D 進(jìn)行驗(yàn)算。在考慮圣維南原理情況下，建立3-1煤開拓巷道優(yōu)化支護(hù)方案模型，模型尺寸為160 m×84 m×155 m，含實(shí)體單元136 080 個(gè)、實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)144 485 個(gè)。在初始應(yīng)力平衡后開挖巷道，按照優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)施加頂幫錨桿索，錨桿索選用cable 表示。

（2）計(jì)算結(jié)果分析。圖2 為巷道圍巖的最大主應(yīng)力分布云圖，從主應(yīng)力云圖的分布特點(diǎn)來(lái)看，整體趨勢(shì)正在向“蝶形”分布發(fā)展，但尚未形成“蝶形”分布，符合埋深大于100 m 且小于300 m 的煤層實(shí)際工況。頂板所受應(yīng)力分布范圍廣，主要集中于巷道頂板中央處，但在優(yōu)化后支護(hù)體系的作用下，頂板處最大主應(yīng)力約為0.5 MPa。兩肩角及兩底角為應(yīng)力集中處，即最大主應(yīng)力試圖使方形巷道向拱形發(fā)展，但在支護(hù)體系作用保護(hù)下，這種趨勢(shì)并不強(qiáng)烈，所以支護(hù)方案中靠近肩角布置的錨桿合理且必要。在優(yōu)化后支護(hù)體系保護(hù)下，巷道周圍最大主應(yīng)力遠(yuǎn)低于支護(hù)體系的承載能力，即使在施工機(jī)械擾動(dòng)等各種作用下，該巷道仍然可靠。

圖2 3-1 煤層巷道圍巖最大主應(yīng)力分布云圖

圖3 為巷道圍巖最大變形量分布云圖，巷道開挖后圍巖最大變形量主要出現(xiàn)在巷道頂板及底部。由于開挖作用影響，巷道周邊及上覆地層出現(xiàn)整體變形，最大變形出現(xiàn)在巷道頂板及底部而最大變形量約3.7 mm，周邊巖層最大變形僅為0.5 mm。更遠(yuǎn)處的圍巖則完全未受擾動(dòng)，巷道整體穩(wěn)定性高。主要是因?yàn)槭┕り?duì)使用“沿底掘，留頂煤”的施工工藝，相較放偽頂?shù)氖┕し绞?，預(yù)留給施工隊(duì)噴漿的時(shí)間更加充裕，更符合煤礦的生產(chǎn)作業(yè)模式，故優(yōu)化后的支護(hù)方式和施工方式是合理的。

圖3 3-1 煤層巷道圍巖最大變形量分布云圖

5 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)研究

以3-1 煤開拓巷道為優(yōu)化對(duì)象，區(qū)段采用基于圍巖松動(dòng)圈理論的支護(hù)優(yōu)化參數(shù)。針對(duì)巷道的圍巖變形情況，在布置頂板位移監(jiān)測(cè)孔的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用收斂?jī)x對(duì)開拓巷道的頂板及兩幫變形進(jìn)行量化監(jiān)測(cè)，分析其變形規(guī)律與位移特點(diǎn)；通過(guò)錨桿索受力監(jiān)測(cè)對(duì)開拓巷道的錨桿錨索進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，分析掘進(jìn)時(shí)其應(yīng)力變化情況；通過(guò)鉆孔應(yīng)力計(jì)對(duì)開拓巷道的煤柱進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，分析煤柱壓力變化的情況。對(duì)巷道圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)觀測(cè)，選取兩個(gè)斷面位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究（表2）。其兩幫收斂最大值為4.83 mm，頂板下沉量最大值為5.76 mm；頂板中間錨桿出現(xiàn)最大受力變化量為2.3 MPa，幫部煤柱最大壓力變化量為1.28 MPa；均處在安全許可范圍內(nèi)，開拓巷道圍巖基本穩(wěn)定。說(shuō)明優(yōu)化后的支護(hù)方案是合理的。

表2 開拓巷道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得3-1 開拓巷道頂煤厚度0.3 m 左右。由于不受采動(dòng)的影響，頂板松動(dòng)圈基本穩(wěn)定。頂板松動(dòng)圈范圍在1.5～1.8 m。兩幫松動(dòng)圈范圍約0.35 m；由于該巷道煤頂板賦存泥巖偽頂，通過(guò)分析確定其掘進(jìn)優(yōu)化方案；通過(guò)分析確定3-1 煤開拓巷道優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計(jì)；通過(guò)FLAC3D 有限差分軟件對(duì)該巷道錨桿索支護(hù)優(yōu)化進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算求解出巷道在支護(hù)優(yōu)化后的圍巖應(yīng)力、變形等巷道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，有效地證明支護(hù)優(yōu)化方案的合理性；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明：3-1 煤開拓巷道圍巖基本穩(wěn)定。說(shuō)明優(yōu)化后的支護(hù)方式是合理的，增加煤礦的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，符合礦區(qū)大成本體系建設(shè)要求，確保安全的同時(shí)降低巷道延米費(fèi)用。