基于BIM技術(shù)的煤礦井下支護(hù)優(yōu)化

王碧光

(大同煤礦集團(tuán)宏泰礦山工程建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

0 引言

BIM是建筑信息模式化(Buliding Information Modeling)的首字母縮寫，是可視化技術(shù)在工程項目當(dāng)中的具體應(yīng)用。在將工程項目對應(yīng)的剖面切面都以直觀可見的圖表形式展現(xiàn)時，需要用到力學(xué)模擬、物理引擎等重要的三維建模手段[1]。其主要思想是將整個建筑工程的每一環(huán)節(jié)模型化，在這種模型化的基礎(chǔ)上輔助以可視化三維模擬技術(shù)，就可以達(dá)到對工程過程和結(jié)果一目了然的效果[2-5]。運用BIM技術(shù)手段，將礦井掘進(jìn)工作面模塊化為一個數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上本著本質(zhì)安全的原則，利用統(tǒng)計學(xué)推演尋找出關(guān)于支護(hù)精簡的優(yōu)化解法，以期提高礦井支護(hù)的可靠性。

1 優(yōu)化支護(hù)設(shè)計的基礎(chǔ)

圍巖極不穩(wěn)定等級的礦井，所受地質(zhì)條件影響較大，掘進(jìn)過程中對巷道頂板和幫部進(jìn)行支護(hù)時難度通常很大，易發(fā)生頂板安全事故[6-9]。一般大型綜采礦區(qū)全年原煤產(chǎn)量維持在2 000萬t左右，這就要求每年至少要回采3個工作面才能滿足產(chǎn)量需求，所以對工藝改進(jìn)的需求較為迫切。

支護(hù)設(shè)計方案是確保頂板安全的基礎(chǔ)，提高頂板安全施工水平，需要優(yōu)化支護(hù)設(shè)計[10-12]。綜采工作面的支護(hù)形式主要由錨桿、錨索、工字鋼梁、金屬網(wǎng)聯(lián)合組成，通過在井下的實際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該方案存在支護(hù)強度浪費，支護(hù)工藝較為繁瑣的問題。經(jīng)過礦井工程設(shè)計人員的計算，巷道在支護(hù)完成后，其圍巖應(yīng)力分布主要集中在工作面的頂部及底部，而兩幫的應(yīng)力強度較小，這就為支護(hù)方案的改進(jìn)提供了可能。在礦山數(shù)據(jù)的可視化進(jìn)程中，對巖層的應(yīng)力分布模式的圖表表述應(yīng)當(dāng)遵守嚴(yán)格的著色標(biāo)準(zhǔn)和說明體系，圖1為數(shù)值模擬后顯示出的綜采巷圍巖應(yīng)力分布情況。由圖1可見，巷道的承壓較大的區(qū)域主要集中在頂部和底部，局部最大承受應(yīng)力達(dá)到了8.1×104kPa。

圖1 綜采工作面巷道圍巖應(yīng)力分布

2 新型錨索支護(hù)

2.1 優(yōu)化方案

在掌握巷道的圍巖應(yīng)力分布情況后，從支護(hù)材料以及支護(hù)強度的優(yōu)化入手，首先對巷道幫部的支護(hù)進(jìn)行了簡化，由原來的每排8根(兩幫各4根)，調(diào)整為每排6根，并引入新型支護(hù)材料JM錨索鋼梁來代替11#礦用工字鋼梁。頂部錨桿的長度縮減到2 500 mm，把幫部的錨桿長度縮減到2 000 mm，將錨索的間距1 800 mm，排距1 800 mm，分別調(diào)整為2 000 mm和2 700 mm，錨索直徑由φ17.8 mm調(diào)整為φ21.8 mm，錨索變粗后能夠在不增加支護(hù)工作的前提下更好地應(yīng)付增大后的頂端應(yīng)力，幫部錨桿的間、排距離由原來的900 mm、900 mm，調(diào)整為1 000 mm和900 mm。將原支護(hù)中的4 800 mm長11#礦用工字鋼更改為4 500 mm長的JM錨索梁。

2.2 優(yōu)化后的優(yōu)點

支護(hù)質(zhì)量及維護(hù)優(yōu)勢：圖2為綜采巷支護(hù)優(yōu)化后的斷面圖。通過使用JM鋼帶代替11#礦用工字鋼支護(hù)巷道，錨索失效現(xiàn)象明顯減少，巷道頂板支護(hù)質(zhì)量得到有效提高，這種操作在一定程度上減輕了巷道后期維護(hù)難度。JM錨索鋼帶的使用降低了掘進(jìn)巷道的支護(hù)成本，而且減少了巷道回采期間的維護(hù)費用，每年可節(jié)約支護(hù)費用70余萬元。由于JM錨索鋼帶重量僅為11#礦用工字鋼梁的1/4，它的使用大大減輕了工人的勞動強度，支護(hù)效率也會提高不少。采用這種新型支護(hù)材料，在巷道地質(zhì)條件較差、圍巖較破碎時，可以有效控制巷道變形，鋼帶撕裂的現(xiàn)象也明顯減少。

圖2 綜采工作面巷道支護(hù)優(yōu)化后的斷面圖

減少支護(hù)成本：采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，如圖2所示，錨桿支護(hù)每100 m減少使用81根錨桿，每根錨桿支護(hù)費用為161.74元(含材料、人工、機修等費用)，則新支護(hù)方案錨桿費用節(jié)約13 100元。JM錨索梁替換11#工字鋼后，由于11#礦用工字鋼的單價較JM錨索梁高約20元，因此每100 m巷道節(jié)約費用約20 014元；錨索間排距擴大后，每100 m巷道減少錨索支護(hù)32根，可節(jié)約錨索費用約36 514元。優(yōu)化后的支護(hù)方案，不但節(jié)約了巷道成本支出，同時將支護(hù)方案變得更加合理，該強支護(hù)的地方加強支護(hù)，該弱支護(hù)的地方則減弱支護(hù)強度，避免了密集支護(hù)帶來的高強度勞動量，間接避免了由于工作強度過大，員工疲勞操作而造成的安全隱患。

3 深化工藝改革和支護(hù)材料優(yōu)化

3.1 工藝改革

樹脂錨固劑的安放工藝：在綜采礦區(qū)的綜采工作面支護(hù)施工環(huán)節(jié)，鉆機施工好錨索安裝孔后，第一步就是樹脂錨固劑(樹脂藥)的安放，一般錨索支護(hù)需要裝入至少3根錨固劑。正常的施工工藝是一根接一根的將錨固劑裝入孔中，但這樣的工藝存在著一定的安全隱患。一是在裝入錨固劑的過程中，施工人員是站在臨時支護(hù)下進(jìn)行操作的，而臨時支護(hù)對巷道圍巖的支撐效果有限；二是在頂板條件較差時，由于煤體破碎，鉆孔壁不夠光滑，普通的錨固劑裝入工藝很難實現(xiàn)連續(xù)裝藥，往往裝到第二支就卡在鉆孔中無法繼續(xù)安裝，以往的解決辦法是再重新施工一個錨索安裝孔，然后再次裝藥。

推引錨固技術(shù)：創(chuàng)新性地提出了推引錨固技術(shù)，如圖3所示，即將3根錨固劑用U型卡鏈成一體，成為一根完整的錨固劑，然后再進(jìn)行裝填。這樣做有兩大好處，一是增加了錨固劑剛度，可以很好地應(yīng)對破碎頂板，不會出現(xiàn)被卡的問題；二是可節(jié)約2/3的時間。采用推引錨固技術(shù)可以降低由于裝填時間過長而帶來的安全風(fēng)險，為安全生產(chǎn)施工提供了可靠的技術(shù)保障。

圖3 樹脂錨固劑新舊裝填方案示意圖

3.2 支護(hù)材料優(yōu)化

支護(hù)材料管理的優(yōu)化：在做好支護(hù)方案優(yōu)化的同時，必須嚴(yán)格執(zhí)行支護(hù)材料質(zhì)量檢驗制度，不合格材料嚴(yán)禁入井。施工單位所采購的每一批支護(hù)材料必須有支護(hù)材料合格證及材料檢驗合格報告，材料入井前必須向技術(shù)部門提供相關(guān)檢驗資料，經(jīng)審核通過后方可入井。同時技術(shù)部門應(yīng)當(dāng)定期對支護(hù)材料進(jìn)行抽樣送檢，以確保支護(hù)材料的質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

恒阻大變形錨索：傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力錨索容易受影響而產(chǎn)生造成預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)體系的失效，進(jìn)而引發(fā)工程冒頂，成為了井巷掘進(jìn)施工中最棘手的問題。針對掘進(jìn)工作面的地質(zhì)條件，選用恒阻大變形錨索作為關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備是一種較為有效、經(jīng)濟的支護(hù)方案。恒阻大變形錨索是具有抵抗沖擊、適應(yīng)圍巖大變形的高恒阻、高強度、高預(yù)緊力的支護(hù)材料，它和傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索的主要差別是具有“讓中有抗，抗中有讓，防斷恒阻”的特性，可有效阻止巷道頂板的離層和錯動，且支護(hù)原理比較明了，圖4為恒阻大變形錨索支護(hù)原理示意圖。當(dāng)圍巖發(fā)生大變形時，恒阻裝置能夠在保持恒定支護(hù)阻力的狀態(tài)下產(chǎn)生一定長度的延伸(最大500 mm)，從而防止錨索因延伸過大而產(chǎn)生破斷。

圖4 恒阻大變形錨索支護(hù)原理示意圖

4 結(jié)語

在礦井綜采工作面支護(hù)過程中，結(jié)合BIM技術(shù)，進(jìn)行支護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計和工藝改革，具有一定的可行性。在成本方面，優(yōu)化后的支護(hù)方式具有更強的競爭力，該優(yōu)化方式和思路值得借鑒和推廣。