松軟特厚煤層綜放面回采巷道支護(hù)優(yōu)化研究

張福義，任武軍

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 042100)

松軟特厚煤層綜放面回采巷道支護(hù)優(yōu)化研究

張福義，任武軍

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 042100)

為解決松軟特厚煤層綜放開采條件下回采巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈的問題，以我國西部某礦為工程背景，綜合運(yùn)用巷道支護(hù)經(jīng)典理論，對懸吊理論和極限平衡理論進(jìn)行靈活應(yīng)用，同時結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬，對松軟特厚煤層綜放開采回采巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的計算分析。結(jié)果表明：優(yōu)化支護(hù)方案后，巷道松軟圍巖能夠承受特厚煤層綜放開采的擾動，巷道表面變形明顯減小，巷高收斂量由0.9m減小為0.3m，巷寬收斂量由1.2m減小為0.4m。優(yōu)化支護(hù)方案效果顯著，保障了工作面安全高效開采。

松軟煤層；綜放開采；支護(hù)優(yōu)化設(shè)計；數(shù)值模擬

Optimal Study of Roadway Support of Fully Mechanized Coal Mining with Soft and Extra Thick Coal Seam

隨著我國煤機(jī)裝備和開采工藝的不斷發(fā)展，14～20m特厚煤層綜放開采得到了廣泛的應(yīng)用與推廣[1-2]。特厚煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制質(zhì)量是決定綜放工作面能否實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的關(guān)鍵因素之一[3-4]。特厚煤層綜放開采當(dāng)中，工作面回采巷道一般沿底板掘進(jìn)，因此巷道頂板及兩幫均為煤體，底板一般為煤[5-6]。當(dāng)煤層強(qiáng)度較低，巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)偏軟，支護(hù)方式不合理時，在高強(qiáng)度的采動應(yīng)力作用下，將極易導(dǎo)致回采巷道圍巖的不穩(wěn)定[7-10]。

我國西部某礦3-5號特厚煤層綜放開采當(dāng)中，隨工作面推進(jìn)，超前工作面200m范圍內(nèi)巷道變形嚴(yán)重，局部地段巷道斷面收斂程度達(dá)到60%，嚴(yán)重制約工作面通風(fēng)、運(yùn)輸、設(shè)備穩(wěn)定，影響工作面安全高效開采。相關(guān)學(xué)者對綜放開采回采巷道變形機(jī)理、深部軟巖穩(wěn)定性控制、軟巖巷道支護(hù)技術(shù)等做了一定的研究[11-13]，但針對松軟特厚煤層綜放開采回采巷道在采動影響作用下巷道支護(hù)優(yōu)化方面的系統(tǒng)性設(shè)計研究較少。因此，針對上述條件下的研究十分必要，研究成果對于現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的參考意義。

1 工程概況

研究對象為我國西部某礦3501工作面，該面主采3-5號煤層，平均埋深220m，煤層平均厚度17.03m，煤層傾角10°。采用綜采放頂煤采煤法，一次性全厚出煤，垮落法控制頂板。工作面頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

此外，通過井下取樣與物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測得煤層單軸抗壓強(qiáng)度平均為9.52MPa，即1.5>f>0.8，按煤的硬度劃分，屬于軟煤；直接底砂質(zhì)泥巖單軸抗拉強(qiáng)度2.05MPa，巖性較脆。因此工作面回采巷道圍巖整體偏軟。

回采過程當(dāng)中，巷道變形較大，其中頂?shù)装逡平窟_(dá)0.9m，兩幫移近量達(dá)1.2m。超前工作面20m處，巷道表面極不平整，頂板下沉、底鼓及兩幫收斂現(xiàn)象嚴(yán)重，錨桿、錨索、錨網(wǎng)及鋼筋梯部分支護(hù)失效。

原巷道支護(hù)如圖1所示。

圖1 2301軌道巷原支護(hù)

頂部錨桿均使用規(guī)格為φ20mm×2000mm的高強(qiáng)錨桿，錨桿間排距為750mm×800mm；鋼筋梯規(guī)格為3400mm×70mm，排距為800mm，均采用φ16mm圓鋼雙面焊接；錨索沿巷道方位，在巷道中心線位置布置1排錨索，間距為6000mm，采用規(guī)格為φ15.20mm的鋼絞線加工，長度為7300mm；巷道幫部錨桿均使用規(guī)格為φ16mm×1600mm的普通錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm；巷道全斷面掛網(wǎng)。

2 基于理論分析的系統(tǒng)性支護(hù)優(yōu)化設(shè)計

懸吊理論認(rèn)為，錨桿支護(hù)的主要目的是增強(qiáng)較弱巖層的穩(wěn)定性，具體的體現(xiàn)就是通過錨桿桿體把巷道頂板上的較弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層之上。本文根據(jù)松軟特厚煤層綜放面回采巷道圍巖的特點(diǎn)，在充分考慮圍巖強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，采用懸吊理論進(jìn)行了靈活的設(shè)計分析，對巷道頂板和巷幫松軟圍巖的錨桿(索)直徑、長度、間排距、錨固長度等參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，確保了優(yōu)化方案的精細(xì)化和可靠性。

2.1 頂錨桿支護(hù)參數(shù)

2.1.1 錨桿直徑

錨桿的直徑根據(jù)桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則確定。

桿體承載力為：

(1)

則桿體直徑公式為：

(2)

式中，d為錨桿體直徑，mm；Q為錨固力的設(shè)計值，取70kN；σt為高強(qiáng)度左旋螺紋鋼錨桿屈服強(qiáng)度，340MPa。

將各參數(shù)取值代入上式，得桿體直徑d為18.32mm，因此選φ=20mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿。

2.1.2 錨桿長度

可按懸吊理論的算法計算頂板錨桿長度，具體公式為：

L≥L1+Δ+L2

(3)

式中，L為錨桿長度，m；L1為錨桿錨固端長度，m；Δ為巷道圍巖破壞深度，m；L2為錨桿外露端長度，通常取0.1m。

其中，錨桿錨固端長度為：

(4)

式中，k為安全系數(shù)，一般取1.5～2.5，在此取2；τ為錨固劑和巖體間的抗剪強(qiáng)度，根據(jù)現(xiàn)場資料，錨固劑的粘合強(qiáng)度為10N/mm2，即10MPa。

巷道圍巖破壞深度為：

(5)

式中，B為巷道最大掘進(jìn)寬度，3.6m；f為煤層堅(jiān)固性系數(shù)，取2。

根據(jù)式(3)～(5)可得：

計算得：L≥2.15m

因此建議錨桿長度在2.2m以上。

2.1.3 錨桿間排距

按錨桿所能懸吊的重量校核錨桿的間排距。

每根錨桿懸吊巖體的重量：

G=γΔD2

(6)

式中，γ為巷道圍巖的平均密度，1.28t/m3；D為錨桿間排距，m。

錨桿錨固力Q應(yīng)能承擔(dān)G的重量。為安全起見，考慮工作面采動影響，在此取k=3.5。所選錨桿的錨固力Q=70kN。則：

由計算可知，錨桿間排距不應(yīng)大于0.93m，同時結(jié)合礦方現(xiàn)有支護(hù)狀況，取800mm×800mm。

2.1.4 實(shí)際錨固長度

實(shí)際錨桿錨固長度可用下式計算：

(7)

式中，la為錨固長度，m；dr為錨固劑直徑，取23mm；dz為鉆孔直徑，取28mm；d為錨桿桿體直徑，取20mm；lr為錨固劑長度，mm，采用礦方原有的MSCK2350樹脂錨固劑，每支錨固劑長度為350mm，每孔2支。

計算得：la=964mm。

2.2 幫錨桿支護(hù)參數(shù)

由極限平衡方程可以得到塑性區(qū)寬度：

(8)

式中，m為開挖高度，取17.03m；A為側(cè)壓系數(shù)，取1.2；φ0為內(nèi)摩擦角，根據(jù)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，取25.939°；C0為黏聚力，根據(jù)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，取7.042MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取3.5；γ為覆巖平均體積力，取0.025MN/m3；H為巷道埋藏深度，取220m。

代入數(shù)值，計算得：

Lp=17.79(m)

巷道側(cè)幫的載荷集度：

(9)

代入數(shù)值，計算得：

Qs=116.9(kN/m)

根據(jù)理論計算結(jié)果，參考上述頂錨桿支護(hù)參數(shù)，設(shè)計同時結(jié)合礦方現(xiàn)有的幫錨桿支護(hù)參數(shù)及類似礦井的經(jīng)驗(yàn)類比，得到幫錨桿的支護(hù)參數(shù)是：φ18mm×2000mm型普通玻璃鋼錨桿；錨固長度964mm；間排距800mm×800mm。

2.3 錨索支護(hù)參數(shù)

2.3.1 錨索長度

確定錨索的長度：

L=La+Lb+Lc+Ld

(10)

式中，L為錨索總長度，m；La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，m；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，在錨桿失效的情況下，其潛在的冒落高度為1.5倍的巷道寬度，即Lb=5.4m；Lc為上托盤及錨具的厚度，取0.1m；Ld為需要外露的張拉長度，取0.3m。

錨索錨固長度La按下式確定：

(11)

式中，k為安全系數(shù)，取2；d1為錨索鋼絞線直徑，取15.24mm；fa為鋼絞線抗拉強(qiáng)度，1920MPa，合1883.52N/mm2；fc為錨索與錨固劑的粘合強(qiáng)度，取10N/mm2。

計算得：La≥1.5m。

L=7.2m，故理論錨索長度應(yīng)為7.2m。

2.3.2 錨索的間排距

(12)

式中，L為錨索排距，m；B為巷道最大冒落寬度，按巷寬1倍，取3.6m；H為巷道冒落高度，按巷道寬度的1.5倍，即5.4m；γ為巖體容重，12.8kN/m3；D為錨桿的排距，0.8m；F1為錨桿的錨固力，70kN；F2為錨索極限承載力，φ15.2mm錨索為350kN；θ為角錨桿與巷道頂板的夾角，為75°；n為1排錨索個數(shù)，根據(jù)巷道寬度，參考特厚煤層綜放開采工程類比，取2。

計算得：L=4.93m，取5m。

根據(jù)現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)情況、國內(nèi)相關(guān)特厚煤層綜放開采回采巷道實(shí)踐工程經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)充分發(fā)揮錨索在深部圍巖的懸吊作用，采用單排2根錨索，同時根據(jù)巷道寬度，錨索間距為2m較為合適。

2.3.3 錨索錨固長度

上部巖層作用在錨索上的重量：

G2=γSD

(13)

式中，γ為巷道上部圍巖的平均容重，取12.8kN/m3；S為冒落拱范圍內(nèi)被包絡(luò)線所圍錨固巖體的截面積，取最大冒落高度×巷道寬度/2，即9.72m2；D為頂錨索排距，取5m。

計算得：G2=622.08kN。

己知所使用的鋼鉸線的破斷力是350kN，每排安裝2根，則其錨固端長度為：

因此需5支錨固劑。實(shí)際錨固長度為：

式中，φ卷為錨固劑直徑，23mm；φ孔為鉆孔直徑，28mm；φ索為錨索直徑，15.2mm；l為錨固劑長度，350mm；n1為錨固劑支數(shù)，5支。

3 基于數(shù)值模擬的支護(hù)優(yōu)化分析

針對該礦3-5號煤層綜放開采回采巷道工程地質(zhì)條件，利用巖土工程數(shù)值分析軟件FLAC3D作為計算平臺，建立三維數(shù)值模擬計算模型，重點(diǎn)分析不同支護(hù)方式、不同開采階段下，巷道圍巖應(yīng)力、變形情況。模型四周及底部為位移邊界條件，上部為應(yīng)力邊界條件，采用摩爾庫倫模型進(jìn)行計算，巷道圍巖進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，在巷道圍巖20m范圍內(nèi)采用放射狀網(wǎng)格，此范圍外選用矩形網(wǎng)格，模型共劃分了354900個網(wǎng)格數(shù)量。

3.1 巷道掘進(jìn)初期

圖2為巷道掘進(jìn)初期圍巖垂直應(yīng)力分布圖。

圖2 巷道掘進(jìn)初期圍巖垂直應(yīng)力分布

由圖2可知，回采巷道掘進(jìn)初期，與原支護(hù)方式相比，優(yōu)化支護(hù)方式下，高應(yīng)力集中區(qū)范圍相對較小，應(yīng)力峰值相對較低，圍巖整體應(yīng)力集中程度降低，但差值不大，垂直應(yīng)力集中區(qū)分布于巷道兩幫頂角0.8m范圍內(nèi)?？傮w來看，支護(hù)方式優(yōu)化后，降低了圍巖的應(yīng)力集中程度。

圖3為巷道掘進(jìn)初期圍巖最大主應(yīng)力及錨桿(索)應(yīng)力分布圖。

圖3 巷道掘進(jìn)初期圍巖最大主應(yīng)力及錨桿(索)應(yīng)力分布

由圖3可知，2種支護(hù)方式下圍巖最大主應(yīng)力分布差別不大。從錨桿(索)應(yīng)力分布來看，與原支護(hù)方式相比，優(yōu)化支護(hù)方式下錨桿對圍巖的作用范圍較小，桿體應(yīng)力值較小，每排2根(排距3m)錨索對圍巖的作用范圍較大，錨索所受應(yīng)力較大，應(yīng)力峰值增高?？傮w來看，優(yōu)化支護(hù)方式充分發(fā)揮了錨索的懸吊作用，從而減小了錨桿的受力負(fù)荷，同時使得錨桿錨索受力均勻，減小了巷道淺部圍巖的應(yīng)力集中程度，支護(hù)體-圍巖的整體性更強(qiáng)，有利于巷道長期穩(wěn)定。

3.2 超前工作面10m

圖4為超前工作面10m巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖。

圖4 超前工作面10m巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

由圖4可知，在距工作面10m的回采巷道截面內(nèi)，與原支護(hù)方式相比，優(yōu)化支護(hù)方式下，圍巖垂直應(yīng)力分布云圖中高應(yīng)力集中區(qū)范圍較大，應(yīng)力降低區(qū)范圍較小，應(yīng)力峰值相對較高，圍巖整體應(yīng)力集中程度明顯增加，但不同區(qū)域應(yīng)力梯度更小?？傮w來看，支護(hù)方式優(yōu)化后，巷道淺部圍巖應(yīng)力值整體增加，但應(yīng)力分布更為均勻，說明支護(hù)體-圍巖系統(tǒng)的整體性得到增強(qiáng)，更能起到抵抗深部圍巖作用的效果。

圖5為超前工作面10m巷道圍巖最大主應(yīng)力及錨桿(索)應(yīng)力分布圖。

圖5 超前工作面10m巷道圍巖最大主應(yīng)力及錨桿(索)應(yīng)力分布

由圖5可知，2種支護(hù)方式下，巷道圍巖最大主應(yīng)力集中區(qū)均位于煤和底板的交接處，最大主應(yīng)力降低區(qū)均位于巷道底板圍巖處，因此最大主應(yīng)力分布狀態(tài)大致相同，這是由于工程條件本身因素所決定的。從錨桿(索)應(yīng)力分布來看，對比圖5(a)與(b)，原支護(hù)方式下錨桿對圍巖的作用范圍、桿體應(yīng)力值、每排單根(排距6m)錨索對圍巖的作用范圍、錨索所受應(yīng)力與優(yōu)化支護(hù)相比均較小。對比圖3、圖4與圖5，發(fā)現(xiàn)工作面超前10m與巷道掘進(jìn)初期及工作面超前50m處相比增長較大，應(yīng)力峰值為10MPa，說明隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)巷道位于超前支承壓力峰值區(qū)域時，原支護(hù)方式還是起到了應(yīng)有的作用，但仍然沒有達(dá)到最佳的支護(hù)效果；優(yōu)化支護(hù)方式下，錨桿與錨索對圍巖的作用范圍、桿體所受應(yīng)力值均增大，應(yīng)力峰值為12MPa，與巷道掘進(jìn)初期及工作面超前50m處相比，增長幅度更大，說明當(dāng)巷道位于超前支承壓力峰值區(qū)域時，優(yōu)化支護(hù)方式發(fā)揮的效應(yīng)明顯增加?？傮w來看，當(dāng)工作面開采后，在超前10m處，在工作面超前支承壓力峰值區(qū)域內(nèi)，優(yōu)化支護(hù)方式充分發(fā)揮了錨索的懸吊作用，錨桿著力部位更深入于穩(wěn)定圍巖之內(nèi)，其支護(hù)優(yōu)勢已完全顯現(xiàn)出來。

4 優(yōu)化支護(hù)方案

通過以上研究，回采巷道的優(yōu)化支護(hù)方式采用“錨網(wǎng)索+鋼筋梯”聯(lián)合支護(hù)，如圖6所示。

圖6 回采巷道優(yōu)化支護(hù)斷面

具體優(yōu)化參數(shù)為：

巷道斷面頂部錨桿為φ22mm×2200mm的高強(qiáng)錨桿，錨桿間排距800mm×800mm，每根錨桿使用2支MSCK2350樹脂錨固劑，錨固長度964mm，初錨力不低于70kN。

錨索每排2根，間排距為2000mm×5000mm，規(guī)格為φ15.20mm的鋼絞線，長度7300mm，每根錨索使用4支MSCK2350樹脂錨固劑，錨固長度1674mm，預(yù)應(yīng)力不低于120kN。

巷道幫部錨桿為φ18mm×2000mm的普通錨桿，錨桿間排距800mm×800mm，每根錨桿使用2支MSCK2335樹脂錨固劑，錨固長度964mm，初錨力不低于70kN。

5 現(xiàn)場實(shí)施效果

接續(xù)工作面采用優(yōu)化支護(hù)方案后，巷道變形量明顯減小，其中頂?shù)装逡平孔畲筇幉坏?.3m，兩幫移近量不到0.4m。工作面支承壓力作用范圍內(nèi)，巷道表面平整，頂板下沉、底鼓及兩幫收斂現(xiàn)象不明顯，錨桿、錨索、錨網(wǎng)及鋼筋梯未出現(xiàn)支護(hù)失效的狀況。如圖7所示為2種支護(hù)方式下工作面推進(jìn)200m范圍內(nèi)，巷道高度與寬度隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線。

圖7 優(yōu)化支護(hù)前后巷道斷面隨工作面推進(jìn)距離變化曲線

6 結(jié) 論

(1)在充分考慮煤體強(qiáng)度的前提下，靈活應(yīng)用懸吊理論能夠滿足松軟煤層巷道的支護(hù)設(shè)計要求，數(shù)值模擬和現(xiàn)場工程實(shí)踐驗(yàn)證了基于此理論下的系統(tǒng)性優(yōu)化設(shè)計的可行性。

(2)FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果表明，優(yōu)化支護(hù)方案的主要作用是提高巷道松軟圍巖與支護(hù)體的整體性，從而增強(qiáng)了抵抗巷道深部圍巖作用的能力。

(3)現(xiàn)場工程實(shí)踐表明，優(yōu)化支護(hù)方案后，巷道松軟圍巖能夠承受特厚煤層綜放開采的擾動，巷道表面變形明顯減小，有力地驗(yàn)證了優(yōu)化支護(hù)方案的優(yōu)越性，保障了工作面安全高效開采。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

2016-10-27

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.013

張福義(1965-)，男，山西臨汾人，工程師，現(xiàn)任山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司董事長。

張福義，任武軍.松軟特厚煤層綜放面回采巷道支護(hù)優(yōu)化研究[J].煤礦開采，2017，22(4)：47-51.

TD353

B

1006-6225(2017)04-0047-05