堅(jiān)硬直接頂大斷面煤巷圍巖支護(hù)方案設(shè)計(jì)

李斌 張余成

摘 要：本文以平安煤業(yè)15#煤層的賦存特點(diǎn)及煤巷尺寸為基礎(chǔ)，采用FLAC建立數(shù)值模型，對(duì)巷道錨桿的排距、間距及長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)值分析，指導(dǎo)設(shè)計(jì)了堅(jiān)硬直接頂大斷面煤巷的圍巖支護(hù)方案。

關(guān)鍵詞：堅(jiān)硬直接頂；大斷面；煤巷；支護(hù)方案；數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.051

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程條件

山西壽陽段王集團(tuán)平安煤業(yè)有限公司目前主采15#煤層，煤層基本賦存穩(wěn)定、含3～5層夾矸，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，普氏硬度系數(shù)f為1～1.5。煤層傾角2°～22°，平均10°；煤層厚度為4.49～5.85m，平均4.54m，。直接頂為3.62m粗砂巖，局部為石灰?guī)r，老頂為6.39m細(xì)砂巖；直接底為2.03m泥巖。但根據(jù)150109回采工作面及150111掘進(jìn)工作面實(shí)際揭露，工作面西部局部頂板巖層缺失，為黃土層；且局部距離風(fēng)氧化帶較近，礦壓較為明顯。因此需要加強(qiáng)采區(qū)頂板管理，提高支護(hù)安全及質(zhì)量。

1.2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

依據(jù)平安礦提供相關(guān)資料以及中國(guó)礦業(yè)大學(xué)圍巖控制課題組實(shí)地調(diào)研與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，15#煤層頂板支護(hù)方面具有以下特點(diǎn)與難點(diǎn)：

（1）直接頂堅(jiān)硬：直接頂為粗砂巖，局部為石灰?guī)r，完整性較好，堅(jiān)硬的直接頂大大加長(zhǎng)了錨桿、錨索支護(hù)的施工時(shí)間，降低掘進(jìn)速度。

（2）巷道尺寸大：為滿足生產(chǎn)系統(tǒng)要求，巷道尺寸設(shè)計(jì)為寬×高=4.5m×2.8m。大斷面煤巷周邊圍巖破裂、松動(dòng)范圍較大，圍巖變形破壞更加嚴(yán)重。

（3）兩幫變形大：由于堅(jiān)硬的直接頂，使巷道上覆載荷直接傳遞到巷道兩幫，使兩幫煤壁破碎片幫嚴(yán)重。

2 數(shù)值模擬

建立FLAC數(shù)值模型，模型尺寸寬×高=34.5m×37.5m，共劃分10350個(gè)單元。以15#煤賦存條件和煤巷尺寸為基礎(chǔ)，選取煤層及其頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)，設(shè)置巷道開挖尺寸為寬×高=4.5m×2.8m。根據(jù)15#煤層埋深，在模型上邊界和底部施加巖層的自重應(yīng)力，應(yīng)力大小分別為6.17MPa和7.12MPa，水平方向應(yīng)力梯度為25KPa/m。

2.1 錨桿排距數(shù)值模擬分析

結(jié)合以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選取600mm、800mm、1000mm、1200mm、1400mm五種不同排距，模擬不同排距下的巷道變形量，所得規(guī)律如圖1所示。

由上圖可知，排距對(duì)錨桿支護(hù)效果的影響十分明顯，相同條件下，錨桿排距越小支護(hù)密度越大，圍巖變形量也就越小。當(dāng)排距超過1200mm時(shí)，圍巖變形十分顯著，尤其是巷道底鼓，變形量接近1m，圍巖支護(hù)效果與無支護(hù)差別不大。當(dāng)排距為1000mm以下時(shí)，圍巖變形量明顯得到有效改善。但隨著排距的進(jìn)一步縮小，圍巖變形量的減小幅度并不明顯，尤其是巷道幫部，圍巖變形量減小僅為50mm左右，可認(rèn)為此時(shí)的圍巖支護(hù)強(qiáng)度已接近飽和狀態(tài)。

綜上，當(dāng)錨桿排距為1000mm時(shí)，巷道的頂板及兩幫即可得到有效控制，雖然底鼓仍比較大，但起底后不影響生產(chǎn)，且維修成本并不高。而排距進(jìn)一步減小雖然能使圍巖變形量進(jìn)一步改善，但效果不大，支護(hù)成本卻增加顯著，相比較而言性價(jià)比較低。因此，確定巷道初始掘進(jìn)時(shí)的錨桿排距為1000mm。

2.2 錨桿間距數(shù)值模擬分析

由于巷道尺寸已經(jīng)確定，錨桿的間距可以根據(jù)錨桿的根數(shù)來確定并相應(yīng)調(diào)整。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，選取3-4-4、3-5-4、5-6-5、6-7-6等四種間距，分別模擬不同錨桿間距時(shí)的巷道變形量。每種方案的3個(gè)數(shù)字分別代表實(shí)體煤幫、頂板和采空區(qū)幫的錨桿數(shù)，如“3-4-4”代表實(shí)體煤幫布置3根錨桿、頂板布置4根錨桿、采空區(qū)幫布置4根錨桿。模擬結(jié)果如圖2所示。

由圖可知，在相同條件下，錨桿的間距越小需要的錨桿數(shù)量越多，圍巖的承載性能也就越高。當(dāng)錨桿密度小于“3-5-4”時(shí)，巷道變形量仍較大；而進(jìn)一步減小錨桿間距，即增加錨桿數(shù)量時(shí)，僅巷道底鼓得到有效改善，而頂板及兩幫的變形量變化很小，不足50mm。因此，也可認(rèn)為當(dāng)錨桿支護(hù)密度大于“3-5-4”型時(shí)，圍巖承載性能近于飽和。從圍巖控制的成效比考慮，此類條件下錨桿布置形式選擇“3-5-4”型比較合理，即錨桿間距為：實(shí)體煤幫布置3根錨桿，間距1000mm；頂板布置5根錨桿，間距900mm；采空區(qū)幫布置4根錨桿，間距900mm。

2.3 錨桿長(zhǎng)度模擬分析

結(jié)合上述分析結(jié)果對(duì)錨桿長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)值模擬研究，設(shè)置錨桿長(zhǎng)度分別為2.2、2.5、2.8m三個(gè)方案，模擬結(jié)果如圖3所示。

從模擬結(jié)果來看，錨桿長(zhǎng)度從2.2m增大到2.8m，巷道最大變形量由400mm降低到280mm，適當(dāng)增大錨桿長(zhǎng)度有利于控制巷道圍巖變形，有利于降低圍巖應(yīng)力集中程度，控制巷道淺部圍巖破碎區(qū)向深

部擴(kuò)展。因此，確定巷道掘進(jìn)初期頂板錨桿長(zhǎng)度為2.8m。

3 圍巖支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)此類地質(zhì)條件下巷道支護(hù)方案為：

（1）頂板布置5根錨桿，間距900mm，排距1000mm，靠近巷幫的頂板錨桿安設(shè)角度為與鉛垂線成15°。

（2）采空區(qū)側(cè)幫部布置4根錨桿，間距900mm，排距1000mm，靠近頂、底板的幫部錨桿安設(shè)角度為與水平線成15°。

（3）實(shí)煤體幫部布置3根錨桿，間距1000mm，排距1000mm，靠近頂、底板的幫部錨桿安設(shè)角度為與水平線成15°。

（4）錨桿長(zhǎng)度為2.8m，直徑為22mm，錨桿初始預(yù)緊為80kN。

（5）錨桿配套120×100×10mm蝶形托盤，每孔裝一根CK2335樹脂藥卷和一根Z2350樹脂藥卷。

（6）頂板每隔一排錨桿布置一組錨索，一組錨索包括2根，即呈“2-0-2”式布置，錨索布置的間排距為1800×1800mm。規(guī)格Φ15.2×6300mm，與鉛垂線成20°安設(shè)，配套250×250×12mm的托盤，每孔裝一根CK2335樹脂藥卷和兩根Z2350樹脂藥卷。

（7）頂板采用網(wǎng)孔大小為100×100mm的鋼筋網(wǎng)護(hù)表，幫部采用網(wǎng)孔規(guī)格60×60mm的菱形網(wǎng)護(hù)表。

（8）在斷層、陷落柱構(gòu)造帶影響區(qū)域，將排距減小到800mm，增加頂板錨索數(shù)量，使其呈“2-1-2”式布置。

4 結(jié)語

根據(jù)平安煤業(yè)15#煤賦存特點(diǎn)，結(jié)合煤巷尺寸，利用FLAC數(shù)值模擬的方法，確定了錨桿支護(hù)方案的排距、間距和錨桿長(zhǎng)度，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了堅(jiān)硬直接頂大斷面煤巷的圍巖支護(hù)方案。

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