高河礦回采巷道支護(hù)參數(shù)分析及優(yōu)化

張云峰

（山西高河能源有限公司，山西 長治 047100）

隨著煤炭開采強(qiáng)度的不斷增大，回采速度不斷提高，粗放式的開采模式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)階段的市場需求，需進(jìn)行精細(xì)化開采，降低成本，實現(xiàn)節(jié)能增效[1]。在井下工作面開采中，巷道是工作面開采及井田開拓的重要通道，礦井每年巷道掘進(jìn)量達(dá)幾千米?，F(xiàn)有的巷道支護(hù)密度過大，雖然可以保證巷道的安全穩(wěn)定，但極大地影響了巷道掘進(jìn)速度，且增加了巷道支護(hù)成本，造成浪費[2-3]。因此，針對回采巷道合理支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

高河煤礦為設(shè)計生產(chǎn)能力6.0 Mt/a的特大型生產(chǎn)礦井，主采3#煤層，煤層平均厚度為6.08 m，傾角為0°～7°，開采工藝為綜合機(jī)械化放頂煤，全部垮落法管理頂板，回采巷道均沿煤層底板布置。W4302回風(fēng)順槽臨近W4301工作面采空區(qū)，護(hù)巷煤柱為70 m。W4302回風(fēng)順槽布置見圖1，東接+450 m水平南翼大巷，西為礦界保安煤柱線，南為W4302工作面未采區(qū)。工作面頂?shù)装鍘r性見表1。W4302回風(fēng)順槽設(shè)計斷面掘?qū)? 300 mm，掘高3 900 mm，毛斷面面積20.67 m2，凈寬5 200 mm，凈高3 700 mm，凈斷面面積19.24 m2，沿煤層底板掘進(jìn)，鋪底150 mm，混凝土強(qiáng)度C30。

圖1 回采巷道地理位置平面

表1 工作面頂?shù)装鍘r性

2 回采巷道支護(hù)參數(shù)理論計算

2.1 錨桿支護(hù)參數(shù)理論計算

高河能源公司使用直徑28 mm的鉆孔機(jī)具，適宜的錨桿直徑為18～24 mm。參照已掘回采巷道的圍巖控制情況，綜合考慮巷道維護(hù)效果、支護(hù)成本、施工機(jī)具等因素，高河能源公司以往選用直徑22 mm的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿。

基于懸吊理論，以下式計算錨桿長度：

Lmg=kb+L1+L2

式中：Lmg為錨桿長度，m；k為安全系數(shù)，取2；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，取0.5 m；L2為錨桿的外露長度，取0.1 m；b為巷道冒落拱的高度，根據(jù)現(xiàn)場取0.66 m。

計算得到Lmg為1.92 m，因此設(shè)計采用長度為2.4 m的錨桿可滿足支護(hù)要求。

2.2 錨索支護(hù)參數(shù)理論計算

錨索長度Lms的計算公式如下：

Lms≥La+Lb+Lc+Ld

式中：La為錨索錨入較穩(wěn)定巖層的厚度，取2.05 m；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，根據(jù)巷道頂板為2.18 m的頂煤，頂煤上方為2.2 m的砂質(zhì)泥巖偽頂，由此確定Lb為4.38 m；Lc為上托盤及鎖具的厚度，取0.2 m；Ld為錨索需要外露的張拉長度，取0.35 m。

計算得到Lms為6.98 m，因此高河能源公司以往回采巷道施工采用長度為8.3 m的錨索可滿足支護(hù)需求。

錨索的數(shù)目通過下式計算確定：

式中：N為錨索的數(shù)目；P1為錨索的最低破斷力，取286.5 kN；W為被吊巖石自重，根據(jù)頂板巖層自重計算得到為323.5 kN。

計算得到N值為2.26，因此巷道斷面錨索的數(shù)目取3根。

由于巷道錨桿數(shù)目較多，間排距的設(shè)置對巷道支護(hù)成本有著重要影響，因此采用數(shù)值模擬手段對錨桿間排距進(jìn)行優(yōu)化。

3 巷道支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型建立

以W4302工作面實際地質(zhì)力學(xué)環(huán)境及周邊回采巷道空間為基礎(chǔ)，利用FLAC3D軟件建立整體尺寸為500 m×300 m×50 m的三維數(shù)值模型，X方向為W4302工作面布置方向，Y方向為工作面推進(jìn)方向；基于實驗室試驗測定的煤巖物理力學(xué)參數(shù)（見表2），對各巖層賦參；邊界條件為底部邊界限制垂直位移、周部邊界限制水平移動，模型頂部施加均布載荷大小為12 MPa。

模型首先開采W4301工作面，采用分階段開挖、循環(huán)運算方式，每階段開挖10 m，對應(yīng)數(shù)值計算1 000時步。然后再開掘W4302回風(fēng)順槽，W4302回風(fēng)順槽護(hù)巷煤柱為70 m，針對W4302回風(fēng)順槽開始掘進(jìn)，研究其不同錨桿間排距下的巷道變形量。

表2 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 錨桿間排距對圍巖穩(wěn)定性的影響

遵循單一變量原則，將錨桿直徑為22 mm、長度均為2.4 m、排距以及錨索的直徑、長度以及間排距取定值，分析錨桿間距分別為600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm時在W4302回風(fēng)順槽布置階段以及W4302工作面回采階段內(nèi)對圍巖變形破壞的影響，以W4302回風(fēng)順槽無支護(hù)方式作為對比方案。

圖2 掘巷結(jié)束后錨桿間距變化對圍巖穩(wěn)定性的影響

圖2中錨桿間距采用如上方案時，W4302回風(fēng)順槽布置完成后頂板下沉量與兩幫移近量變化曲線，可看出與無支護(hù)方案相比，W4302回風(fēng)順槽支護(hù)后圍巖位移量顯著降低，但在不同錨桿間距條件下，巷道頂板下沉量的差別不大，兩幫移近量隨錨桿間距減小而逐步降低。由此可以看出在W4302工作面未回采前，錨桿間距在600～1 000 mm內(nèi)變化時對頂板穩(wěn)定性影響較小，對幫部煤體穩(wěn)定性的影響相對較大。

圖3 W4302工作面回采后錨桿間距對圍巖穩(wěn)定性的影響

繼續(xù)分析在W4302工作面回采期間，錨桿間距對圍巖穩(wěn)定性的影響，見圖3。表明W4302工作面回采后近工作面區(qū)域巷道圍巖位移量顯著增加。各模擬方案頂板位移曲線基本重合，表明錨桿間距未對巷道頂板變形破壞構(gòu)成顯著影響；兩幫移近量隨錨桿間距減小而逐步降低，尤其是當(dāng)錨桿間距超對800 mm 時，兩幫位移量降低明顯，錨桿間距低于800 mm時，兩幫移近量降低趨勢減弱。因此，綜合分析確定錨桿合理間距為800 mm。

模擬研究在錨桿間距為800 mm的前提下，排距分別為600 mm、900 mm、1 200 mm以及1 500 mm條件下圍巖變形破壞情況。由數(shù)值模擬結(jié)果可知W4302工作面回采后，隨錨桿間距減小巷道圍巖變形量逐步降低，但降低率逐步減小，當(dāng)錨桿間距為900 mm減為600 mm后，圍巖變形量降低率并不明顯，綜合考慮錨桿排距為900 mm比較合理。

4 工業(yè)試驗

4.1 W4302支護(hù)方式

W4302回風(fēng)順槽采用支護(hù)參數(shù)如下： 頂板采用長2.4 m、Φ22 mm，間排距為800 mm×900 mm的錨桿；幫部錨桿間排距為800 mm×900 mm。頂板錨索采用長8.3 m，Φ18.96 mm，間排距1 400 mm×900 mm，每排布置3根。巷道鋪底硬化厚度為150 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30，支護(hù)方式見圖4。

圖4 W4302回風(fēng)順槽永久支護(hù)設(shè)計

4.2 W4302回風(fēng)順槽圍巖變形監(jiān)測

在W4302回風(fēng)順槽圍巖布置監(jiān)測點，每天監(jiān)測巷道兩側(cè)和頂?shù)装灞砻娴膰鷰r變形量。通過處理數(shù)據(jù)并分析可知，回采巷道初始開掘10天內(nèi)，兩幫變形速率最大，達(dá)到2.25 mm/d，10天后變形速率呈現(xiàn)波動性減小的變化趨勢，但兩幫整體移近量不斷增大，直至開挖60天后，兩幫移近量趨于穩(wěn)定，變形速率趨近于0，兩幫累計移近量為90 mm，頂?shù)装遄罱K位移量為40 mm?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，回采巷道頂板圍巖完整程度較高，不具有明顯的裂隙，支護(hù)效果較好，可以顯著控制頂板巖體變形破壞，保證巷道正常使用。

5 結(jié)語

根據(jù)懸吊理論計算確定高河礦W4302回風(fēng)順槽錨桿的合理長度為2.4 m，錨索合理長度為8.3 m，針對錨桿間排距進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化，錨桿合理間排距為800 mm×900 mm。工業(yè)試驗圍巖變形量監(jiān)測結(jié)果表明，此支護(hù)方案支護(hù)效果較好，可以顯著控制頂板巖體變形破壞，保證巷道正常使用。