王莊煤礦8105孤島工作面巷道支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬分析

丁 超

(潞安礦業(yè)集團(tuán)公司 總調(diào)度室，山西 長(zhǎng)治 046204)

目前王莊煤礦井田范圍內(nèi)存在一定數(shù)量的孤島工作面，隨著礦井生產(chǎn)的不斷推進(jìn)，礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件的不斷惡化，如何改善孤島工作面巷道的維護(hù)效果，實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)采，對(duì)礦井的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。8105工作面位于王莊煤礦81采區(qū)，主采二疊系3號(hào)煤層，煤層厚度6.5 m，工作面北部、南部分別為8103工作面采空區(qū)和8106工作面采空區(qū)，8105工作面運(yùn)巷設(shè)計(jì)斷面為5 m×3.2 m，巷道一側(cè)為實(shí)體煤幫，另一側(cè)為8103采空區(qū)，8105工作面運(yùn)巷與8103采空區(qū)留設(shè)7 m寬區(qū)段煤柱。綜合考慮錨桿對(duì)圍巖的支護(hù)強(qiáng)度以及本礦井其他巷道的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，巷道頂板和兩幫擬采用D22 mm的全螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)。為了確保掘進(jìn)階段和回采階段巷道圍巖的穩(wěn)定，必須選擇合理有效的巷道支護(hù)參數(shù)，因此，本文基于FLAC3D數(shù)值軟件，對(duì)8105運(yùn)巷的錨桿支護(hù)動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬分析，以選取最優(yōu)的巷道支護(hù)參數(shù)。

1 模型建立及巷道支護(hù)方案

為了研究8103臨近工作面采空區(qū)的側(cè)向支承應(yīng)力對(duì)8105工作面運(yùn)巷的影響規(guī)律，利用有限差分軟件FLAC3D建立數(shù)值模擬模型，模擬分析8105工作面運(yùn)巷在不同支護(hù)方案下(表1)的巷道圍巖變形情況，以確定合理的支護(hù)方案。數(shù)值模擬過(guò)程如下：先開(kāi)挖臨近工作面并計(jì)算平衡，再開(kāi)挖8105工作面運(yùn)巷，并進(jìn)行錨桿(索)支護(hù)計(jì)算至平衡，再開(kāi)挖本區(qū)段8105工作面并計(jì)算至平衡。

表1 巷道支護(hù)方案

注：頂板錨索采用規(guī)格為D18.9 mm、L8 300 mm的19股鋼絞線錨索，兩幫選用規(guī)格為D18.9 mm、L4 300 mm的19股鋼絞線錨索。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 巷道掘進(jìn)階段數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬得到8105工作面運(yùn)巷掘巷期間不同支護(hù)方案下巷道圍巖垂直位移和水平位移變化情況，見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，隨著巷道頂板及兩幫錨索、錨桿間排距的逐漸減小，即由支護(hù)方案1改變到方案3，巷道支護(hù)強(qiáng)度逐漸增加，巷道頂板及兩幫圍巖變形量逐漸減小，分別減小約102 mm和215 mm，變化明顯。而由方案3改變到方案5，巷道頂板及兩幫圍巖變形量變化幅度較小，方案4和方案5相比基本無(wú)變化。從圍巖承載能力與經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，確定選擇方案3可以滿足要求。

圖1 掘進(jìn)期間不同支護(hù)方案巷道位移變化曲線

2.2 回采階段數(shù)值模擬結(jié)果分析

8105工作面回采期間不同支護(hù)方案下巷道圍巖垂直位移和水平位移模擬結(jié)果，見(jiàn)圖2。

圖2 回采期間不同支護(hù)方案巷道位移變化曲線

由圖2可知，不同錨桿支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖變形量有較大差別，變化范圍較大。支護(hù)參數(shù)由方案1改變到方案3，支護(hù)強(qiáng)度逐漸增加，巷道底鼓量、頂板下沉量和兩幫移近量明顯減小，巷道底鼓量、頂板下沉量、頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e減小96 mm、138 mm、234 mm和105 mm，巷道頂?shù)装逡平看蠓冉档停瑫r(shí)巷道兩幫移近量明顯減小。方案3與方案5相比較，巷道圍巖變形量變化幅度較小，同時(shí)考慮圍巖錨固體的承載能力和經(jīng)濟(jì)效益，綜合考慮選擇錨桿支護(hù)方案為方案3。

3 巷道錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

根據(jù)模擬結(jié)果，最終確定8105運(yùn)輸巷的支護(hù)參數(shù)選擇方案3，支護(hù)示意見(jiàn)圖3。

圖3 8105工作面運(yùn)巷支護(hù)示意(mm)

頂板支護(hù)：每排采用D22 mm、L2 400 mm的HRB-335高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿7根，除窄煤柱幫側(cè)兩根錨桿間距為500 mm外，其余均為800 mm，排距為800 mm，頂角錨桿距幫250 mm傾斜15°打設(shè)；采用樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度為1 500 mm，鋪設(shè)金屬網(wǎng)和D14 mm圓鋼焊制的規(guī)格為4 700 mm×80 mm的雙筋雙梁鋼筋梯子梁，采用150 mm×150 mm×10 mm的托板；同時(shí)打設(shè)2根間距為2 000 mm、排距800 mm的D18.9 mm、L8 300 mm的預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)，采用D14 mm圓鋼焊制的規(guī)格為2 200 mm×80 mm的雙筋雙梁鋼筋梯子梁橫向連接，配套鎖具、調(diào)心球墊。

兩幫支護(hù)：采用D22 mm、L2 000 mm的HRB-335高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，窄煤柱幫每排打設(shè)5根，間排距為700 mm×800 mm，實(shí)煤體幫打設(shè)4根，間排距為900 mm×800 mm，幫頂角錨桿向頂板傾斜15°打設(shè)，幫底角錨桿向底板傾斜15°打設(shè)；采用樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，每根錨桿采用Z2335、Z2360型藥卷各一支，錨固長(zhǎng)度為1 200 mm，鋪設(shè)金屬網(wǎng)和D14 mm圓鋼焊制的3 000 mm×80 mm雙筋雙梁鋼筋梯子梁，采用150 mm×150 mm×10 mm的托板；同時(shí)打設(shè)兩根D18.9 mm、L4 300 mm的預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)，錨索間排距1 200 mm×1 600 mm，用D14 mm圓鋼焊制的3 400 mm×80 mm雙筋雙梁鋼筋梯子梁沿巷道縱向連接，每根錨索配套使用一塊規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm、拱高不得低于60 mm的托板，配套鎖具、調(diào)心球墊。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

8105運(yùn)巷采用上述方案支護(hù)后，為了驗(yàn)證巷道支護(hù)方法選擇的合理與否，在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中，對(duì)巷道圍巖進(jìn)行了礦壓觀測(cè)。結(jié)果表明，隨著監(jiān)測(cè)天數(shù)的增長(zhǎng)，即距離掘進(jìn)迎頭距離的增加，巷道頂板下沉量最大值約為130 mm，底鼓量約為125 mm，兩幫移近量約為325 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果比較接近，巷道整體變形量在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)，且巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。隨著巷道掘進(jìn)，巷道支護(hù)錨桿錨索受力逐漸增大并趨于穩(wěn)定，其中煤柱幫的受力明顯高于實(shí)體煤幫的錨桿受力。通過(guò)模擬計(jì)算，8105工作面選擇合適的巷道支護(hù)方法，可以節(jié)省巷道返修成本2 780元/m，并且大大提高了巷道掘進(jìn)效率。