首山礦錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化效果研究

曹小勛

（大唐陜西府谷煤電有限責(zé)任公司，陜西 榆林719000）

引言

由于煤層開采向深部發(fā)展，煤層所處原始應(yīng)力也隨之增高[1-2]，結(jié)果導(dǎo)致巷道圍巖松動(dòng)圈變大。根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論[3-6]確定錨桿支護(hù)各種參數(shù)時(shí)，錨桿支護(hù)參數(shù)（如錨桿直徑、長(zhǎng)度、間排距）主要受到松動(dòng)圈大小的影響。長(zhǎng)期以來，眾多學(xué)者針對(duì)如何提高、完善錨桿支護(hù)效果進(jìn)行了深入研究，文獻(xiàn)[7]認(rèn)為巷道之所以發(fā)生變形破壞，其中一個(gè)重要原因就是支護(hù)結(jié)構(gòu)或者錨桿支護(hù)的參數(shù)不夠合理，此外作者還認(rèn)為，對(duì)巷道的支護(hù)應(yīng)該突出重點(diǎn)，在巷道變形破壞較嚴(yán)重的關(guān)鍵部位可以加強(qiáng)支護(hù)，從而更加有效的控制巷道的整體變形；文獻(xiàn)[8]認(rèn)為，回采巷道錨桿支護(hù)在工作面回采之前，支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，但是在工作面回采開始之后，超前采煤工作面一定范圍內(nèi)，回采巷道錨桿支護(hù)將會(huì)受到超前支承壓力的強(qiáng)烈影響；文獻(xiàn)[9]認(rèn)為，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)在錨桿支護(hù)領(lǐng)域存在的普遍問題，總結(jié)提出了2種主要的錨桿設(shè)計(jì)方法。

首山礦11061回風(fēng)巷道埋深達(dá)到600m，但是該巷道錨桿支護(hù)參數(shù)依然與淺埋深巷道一致，其錨桿支護(hù)參數(shù)（如錨桿直徑、長(zhǎng)度、間排距）已經(jīng)不能滿足支護(hù)要求，因此礦方對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化。本文運(yùn)用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方案對(duì)優(yōu)化方案支護(hù)效果進(jìn)行了研究，為深部巷道錨桿支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供了技術(shù)支持。

1 原方案和優(yōu)化方案對(duì)比

首山礦煤層傾角平均11°，煤層厚度為4.1m。11061回風(fēng)巷道為全煤層巷道，巷道斷面形狀為直墻半圓拱，凈寬4m，墻高1.4m。原支護(hù)參數(shù)見圖1（a），錨桿規(guī)格為φ20×1800mm，錨桿間排距為800mm×800mm，錨桿外露長(zhǎng)度為50mm，每一根錨桿配2卷樹脂錨固劑，噴層厚度為50mm。優(yōu)化方案支護(hù)參數(shù)見圖1（b），優(yōu)化方案主要在原方案基礎(chǔ)上“加長(zhǎng)錨桿+關(guān)鍵部位加密錨桿”，具體為：①錨桿規(guī)格由φ20×1800mm變?yōu)棣?0×2400mm；②在巷道右拱肩加設(shè)一排錨桿，錨桿與水平面夾角為60°；③在巷道兩幫和底板各加設(shè)一排錨桿，底板錨桿與水平面夾角為45°，兩幫錨桿與水平面夾角為10°。

2 支護(hù)方案模擬分析

2.1 建立模型

運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，由于煤層傾角較小，煤巖層在建模時(shí)均設(shè)置為0°。模型長(zhǎng)、寬、高分別為30m、25m、5m，模型共計(jì)22350個(gè)單元，23476個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型上邊界設(shè)置為自由面，施加上覆巖層自重應(yīng)力，約為17.5MPa；模型其它邊界均設(shè)置為固定邊界。由于煤層埋深較大，并且沒有構(gòu)造影響，應(yīng)力狀態(tài)接近靜水壓力狀態(tài)，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力接近，因此側(cè)壓系數(shù)取1。煤巖層的破壞準(zhǔn)則為Mohr－Coulomb準(zhǔn)則，采用cable命令生成錨桿(索)，采用shell命令生成混凝土噴層。各層煤巖層物理力學(xué)參數(shù)圖表1所示。

2.2 模擬結(jié)果分析

兩方案的圍巖位移分布如圖2所示。分析圖2（a）和圖2（d）可知，最大水平位移出現(xiàn)在兩個(gè)拱肩的下部，原支護(hù)方案為325mm，優(yōu)化支護(hù)方案為118mm，優(yōu)化方案比原方案減小了63.6%；分析圖2（b）和圖2（e）可知，最大垂直位移出現(xiàn)在底板，原支護(hù)方案為260mm，優(yōu)化支護(hù)方案為120mm，優(yōu)化方案比原方案減小了63.6%；分析圖2（c）和圖2（f）可知，巷道采用優(yōu)化方案后總位移量明顯減小。

3 工程應(yīng)用效果

圖2 兩方案圍巖位移分布比較

優(yōu)化方案在11061回風(fēng)巷道進(jìn)行了應(yīng)用。分析巷道圍巖位移量-時(shí)間曲線（圖3）可知，巷道掘進(jìn)開始階段圍巖變形比較劇烈（即圖3中劇烈區(qū)），隨后巷道變形進(jìn)入緩慢增加階段（即圖3中趨穩(wěn)區(qū)），最后圍巖位移進(jìn)入穩(wěn)定階段（即圖3中穩(wěn)定區(qū)）。穩(wěn)定后巷道頂?shù)装逡平?4mm，兩幫移近量66mm，巷道圍巖變形控制較好。

圖3 11061 回風(fēng)巷道圍巖位移量變化曲線

4 結(jié)論

隨著煤礦開采深度增加，11061回風(fēng)巷道錨桿支護(hù)參數(shù)需要進(jìn)行優(yōu)化。FLAC3D模擬結(jié)果表明：優(yōu)化方案最大水平位移減少了63.6%，最大垂直位移減少了54.9%?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：采用優(yōu)化方案后，巷道支護(hù)效果較好，巷道頂?shù)装逡平?4mm，兩幫移近量66mm，本文研究成果為深部巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供了技術(shù)參考。

［1］張洪樂，劉志強(qiáng)，王飛.煤礦巷道錨噴支護(hù)參數(shù)優(yōu)化［J］.煤礦安全，2011，42（4）:116-118.

［2］董方庭.巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論及應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2001.

［3］董方庭，宋宏偉，郭志宏.巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1994（1）.

［4］朱永建，馬念杰.基于松動(dòng)圈圍巖分類法煤幫錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34（7）:30-33.

［5］何滿潮，袁和生，靖洪文.中國(guó)煤礦錨桿支護(hù)理論與實(shí)踐［M］.北京:科學(xué)出版社，2004:46-50.

［6］靖洪文，付國(guó)彬，董方庭.深井巷道圍巖松動(dòng)圈預(yù)分類研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，25（2）:45-49.

［7］王文龍，靖洪文，楊大林.高水平應(yīng)力軟巖巷道破壞機(jī)理分析及對(duì)策［J］.煤礦安全，2010（9）:129-132.

［8］于先富，閻石.回采巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)［J］.煤 炭技術(shù).2008，27（2）:48-50.

［9］孫曉明，張國(guó)鋒，蔡峰，等.深部?jī)A斜巖層巷道非對(duì)稱變形機(jī)制及控制對(duì)策［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（6）:1137-1144.