10-201工作面軟巖大斷面開挖方案優(yōu)化及切巷支護設(shè)計

李利東，袁 遠，王 凱

(霍州煤電集團有限責任公司 木瓜煤礦，山西 呂梁 033000)

隨著煤礦開采工藝的發(fā)展以及對煤炭資源需求的增加，工作面切眼斷面尺寸也不斷增大，支護設(shè)計與施工方案的合理性是大斷面切巷施工的重要因素，也是保障安全生產(chǎn)的基本條件[1-2].木瓜煤礦10-201工作面地層變化復(fù)雜、直接頂圍巖強度低、錨桿錨固力不足、切巷跨度大。為此，利用數(shù)值模擬軟件確定切巷斷面開挖最佳方案，模擬此方案支護設(shè)計的有效性，為確保大跨度斷面圍巖穩(wěn)定性提供技術(shù)支撐。

1 概 況

木瓜礦10-201工作面所開采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組的9#+10#煤(合并層)，根據(jù)周邊南5、擴2、擴3、擴6鉆孔綜合分析，預(yù)計9#、10#煤層間距0.5～1.0 m，預(yù)計10-2012巷掘進至870～1 169 m處為9#+10#煤層合并層分界線，宏觀煤巖類型為半亮型，玻璃光澤，階梯狀斷口，中厚層狀。9#煤層厚度為3.85～4.15 m，10#煤層厚度為1.4～1.52 m，傾角2°～6°，平均4°，煤巖層賦存較穩(wěn)定。煤層頂、底板巖層特征見表1.10-201工作面切巷設(shè)計高度為4.4 m，寬度為8.5 m，巷道斷面大，中部張拉應(yīng)力大、頂角剪應(yīng)力較大。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征表

2 切巷開挖斷面優(yōu)選方案

針對10-201工作面切巷斷面跨度大的難題，采用巖土工程領(lǐng)域常用的FLAC3D軟件對斷面開挖方案進行優(yōu)化[3-4].

2.1 開挖方案對比

根據(jù)工程實際開采范圍，結(jié)合工程經(jīng)驗參數(shù)進行賦值[5].在計算中，各巖層均采用Mohr-Coulomb屈服準則[6].提出“一次性開挖大斷面”和“分段開挖小斷面成巷”兩種方案，進行切巷的優(yōu)化施工。

使用FLAC3D軟件模擬可得無支護全斷面、無支護小斷面、注漿支護小斷面變形圖,分別見圖1，2，3.通過數(shù)值模擬計算可以發(fā)現(xiàn)，圖1圍巖變形區(qū)無支護全斷面開挖時變化區(qū)域較多，代表圍巖變形量較大。對比圖2可知，無支護小斷面開挖時變化區(qū)域大大減少。對比兩者塑形區(qū)，最外層代表無塑形區(qū)，中間深色區(qū)域代表重度塑形區(qū)，對比可知，小斷面開挖相較于全斷面開挖塑形區(qū)大大減少。因此，選用分段開挖小斷面成巷的方法能夠優(yōu)化施工，減少安全隱患，取得更好的開挖效果。

圖1 無支護全斷面開挖變形圖

圖2 無支護小斷面開挖變形圖

2.2 支護方案對比

在分段開挖小斷面成巷施工技術(shù)上分別模擬了兩種技術(shù)方案：切巷無支護和頂板注漿+錨索支護。注漿+錨索支護下小斷面開挖變形圖見圖3，在經(jīng)過施加注漿與支護條件下，頂板變形量遠遠小于無支護狀態(tài)，同時塑性區(qū)相較于未支護區(qū)也大大減小，幾乎未出現(xiàn)變形區(qū)域，支護方案效果極佳。

圖3 注漿和支護條件下小斷面開挖變形圖

3 切巷支護設(shè)計

切巷支護設(shè)計首先擬定在10-2011、10-2012兩條順槽巷道掘進過程中每隔30～50 m在頂板進行鉆孔窺視，掌握頂板巖層變化規(guī)律并預(yù)估切巷頂板巖層[7].再對切眼掘進斷面進行優(yōu)化，先進行導洞施工，支護方式采用預(yù)注漿+長短錨索+槽鋼和鋼帶，先導洞后擴刷，邊擴刷邊安裝工藝流程。工作面示意圖見圖4.

圖4 工作面示意圖

3.1 支護參數(shù)設(shè)計

1)幫錨桿長度確定。

幫錨桿支護參數(shù)根據(jù)圍巖松動圈分類法進行計算[8]，巷道兩幫潛在松塌區(qū)寬度L1:

L1=h×tan(45-β/2)=4.1×tan(45-74.48/2)

≈0.57 m

式中：

h—巷道掘進高度，m，取毛高4.1；

β—煤層內(nèi)摩擦角，(°)，β=arctanf=74.48.

錨桿長度：

L=L1+L2+L3=0.6+0.8+0.1=1.5 m

式中：

L2—幫錨桿伸出潛在松塌區(qū)的額定錨固長度，m，取0.8；

L3—幫錨桿外露長度，m，取0.1.

根據(jù)理論分析結(jié)合同類型工作面支護經(jīng)驗，幫錨桿長度均取2 000 mm能夠滿足要求。

2)錨桿錨固力及間排距驗算。

錨桿的錨固力根據(jù)與錨桿屈服載荷相匹配的原則進行確定，結(jié)合錨桿錨固力不應(yīng)小于被懸吊不穩(wěn)定巖層的重量對間排距進行驗算[9].

Q桿=K1L桿2a桿1a桿2γ

式中：

Q桿—錨桿錨固力，kN；

K1—安全系數(shù)，一般取2～5，考慮頂板傾角影響取4；

L桿2—錨桿的有效長度，m，取1.0；

a桿1—錨桿間距，將結(jié)合錨桿實際布置方式，m，取0.92；

a桿2—錨桿排距，結(jié)合同類型工作面支護經(jīng)驗，m，取0.9；

γ—易冒落巖石平均重力密度，kN/m3，取25.

代入?yún)?shù)，得Q桿=82.8 kN

結(jié)合同類型工作面支護參數(shù)選擇經(jīng)驗，同時結(jié)合現(xiàn)場礦壓資料及支護經(jīng)驗，確定10-201切巷左幫幫錨桿間排距1 400 mm×900 mm，右?guī)蛶湾^桿間排距1 400 mm×900 mm，錨固力均為105 kN，能滿足支護強度要求。

3)錨桿的直徑。

根據(jù)錨桿桿體承載力與錨固力等強的原則，按下式計算：

式中：

d桿—錨桿直徑，m；

σs—錨桿桿體的屈服強度，根據(jù)同類型南區(qū)左翼下組煤大巷礦壓監(jiān)測情況，頂、幫錨桿均選用HBR335螺紋鋼錨桿(1 MPa=1 000 kN/m2).

經(jīng)以上公式計算：

經(jīng)以上計算結(jié)合錨桿規(guī)格選型，S10-201切巷頂、幫錨桿將選d22 mm的螺紋鋼高強錨桿，均可滿足支護強度要求。

4)錨索長度[10-11].

L索=L索1+L索2+L索3

式中：

L索—錨索長度，m；

L索1—錨索外露頂板長度，m，鋼板厚度0.05 m+鎖具厚度0.05 m+最大允許外露長度0.25 m，取0.35 m；

L索2—錨索的有效長度，m,不小于錨桿錨固巖層的厚度，按最嚴重冒落高度大于錨桿長度的整體冒落考慮，取2.5；

L索3—錨索的錨固長度，根據(jù)錨固力試驗得出錨固劑所需錨固長度(CKb2340及 Z2360各兩條)，m,結(jié)合理論計算，取最大值2.5.

式中：

σt—錨索抗拉強度，MPa，根據(jù)錨索檢驗報告可得1 820；

d—錨索直徑，mm，取18.9；

τc—樹脂錨固劑與錨索黏強度，MPa，取10.

把數(shù)據(jù)帶入公式可求得：L索=5.35 m

根據(jù)以上公式，結(jié)合現(xiàn)場實際支護經(jīng)驗，考慮一定安全系數(shù)，將錨索長度確定為5.3 m、15.3 m，同時根據(jù)地質(zhì)資料分析，頂板受地質(zhì)條件影響，將采用長短錨索間隔布置，以滿足頂板支護要求。

5)錨索間排距計算依據(jù)。

錨索的排距按下式計算：

式中：

a索1、a索2—錨索間距、排距，m，考慮傾角影響間距取1.4；

N索—錨索承載力，kN，選用d18.9 mm的鋼絞線，查材料強度檢驗報告，取400；

K2—安全系數(shù)，一般取1～3，根據(jù)地質(zhì)條件等情況，取3；

h—錨桿錨固巖層的厚度，m，取最大錨固層厚度1.0；

γ—錨桿錨固巖層平均重力密度，kN/m3，取25.

6)錨固長度驗算。

按照下式進行計算：

式中：

L—樹脂藥卷的總長度，mm,錨索充填CKb2340及 Z2360各兩條，頂錨桿充填CKb2340及 Z2360各一條，幫錨桿充填Z2360一條，頂錨索取2 000，頂錨桿取1 000，幫錨桿取600；

L0—錨桿的錨固長度，mm；

Φ0—樹脂藥卷直徑，mm，取23；

Φ1—鉆孔直徑，mm，取28；

Φ2—錨桿(索)直徑，mm，頂、幫錨桿均取20，錨索均取18.9.

頂錨索錨固長度：

L0=2 000×232/(282-18.92)=2 479 mm

幫錨桿錨固長度：

L0=600×232/(282-202)=827 mm

根據(jù)以上計算得出，頂錨索錨固長度2 478.9 mm，d20 mm的幫錨桿錨固長度827 mm.

7)錨桿(索)扭力矩推算。

根據(jù)《煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù)》要求，一般選擇錨桿預(yù)緊力取其屈服載荷的30%～50%，錨索預(yù)緊力取其40%～70%，并根據(jù)《煤礦支護手冊》中錨桿預(yù)緊力公式反算得出錨桿扭力矩，計算公式如下：

d20 mm左旋螺紋鋼錨桿屈服載荷為105 kN，其預(yù)緊力對應(yīng)在31.5～52.5 kN，經(jīng)反算得出扭力矩為280 N·m時其預(yù)緊力為73.5 kN，滿足預(yù)緊力要求。

d18.9 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線破斷載荷為400 kN，其預(yù)緊力對應(yīng)在160～280 kN，將錨索預(yù)緊力確定為180 kN，可滿足強度要求。

3.2 支護設(shè)計

3.2.1導洞超前預(yù)注漿

根據(jù)斷面優(yōu)化可知,導洞斷面為4 000 mm×4 400 mm，注漿材料初步設(shè)計采用水灰比為1.2∶1～1.5∶1的水泥漿，注漿孔徑42 mm，注漿鉆孔深度為15 m，超前注漿鉆孔沿切巷走向方向，與頂板呈45°角斜向向頂板注漿，注漿孔間距為1 000 mm，兩幫頂角鉆孔向外傾斜5°，鉆孔排距為1 500 mm，初步設(shè)計注漿壓力2.0～3.0 MPa，注漿孔布置設(shè)計見圖5.

圖5 導洞注漿鉆孔布置圖

3.2.2導洞支護方案

在注漿基礎(chǔ)上，導洞頂板支護采用長短組合錨索梁支護，工作面后方幫部支護采用螺紋鋼錨桿，工作面推進方向采用玻璃鋼錨桿，見圖6.

其中，頂板支護布置圖見圖6a)，首先在1-1剖面布置長錨索(d18.9 mm×15 300 mm)3根，中心一根，兩邊距離邊角500 m各一根，3根長錨索端部安裝14#槽鋼整體形成錨索梁，間距1 000 mm；在2-2剖面布置4根短錨索，間距1 000 mm，巷道切向采用M鋼帶；幫部采用d22 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm，切向增加M鋼帶，配合150 mm×150 mm×8 mm高強度方形帶拱托盤使用。除了槽鋼和鋼帶外，頂、幫網(wǎng)均采用1 100 mm×1 500 mm的鋼筋片網(wǎng)(長×寬)，網(wǎng)孔規(guī)格為80 mm×80 mm，頂網(wǎng)豎鋪，幫網(wǎng)橫鋪。

圖6 導洞支護設(shè)計圖

3.2.3刷擴區(qū)支護方案

擴刷區(qū)支護方式與導洞基本一致，由于擴刷區(qū)暴露時間短，撤去錨索梁，全部采用鋼帶，支護布置設(shè)計見圖7.

圖7 切巷支護設(shè)計圖

4 支護應(yīng)用效果

項目施工完成后，為驗證支護方案的有效性，通過兩個月的監(jiān)測，頂板下沉量和兩幫位移量除在施工前期出現(xiàn)波動外均處于穩(wěn)定狀態(tài)，頂板下沉量最大值為100 mm，兩幫位移量最大值為50 mm，均在受力可控范圍內(nèi)，符合工程應(yīng)用要求。

5 結(jié) 論

針對10-201工作面切巷斷面跨度大的難題，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件確定了“分段開挖小斷面”的斷面開挖方案，確定了“預(yù)注漿+長短錨索+槽鋼和鋼帶”的支護方案，先導洞后擴刷，邊擴刷邊安裝工藝流程。經(jīng)計算，幫錨桿長度、錨桿錨固力及間排距、錨桿直徑等參數(shù)均能夠滿足設(shè)計要求。該方案經(jīng)過實際應(yīng)用，能夠提高巷道支護強度，減小變形量，滿足工程技術(shù)要求，為類似條件下切眼支護技術(shù)提供了參考依據(jù)。