回采巷道支護參數(shù)的優(yōu)化

常宇晨

（長治市煤炭安全糾察支隊，山西 長治 046011）

引言

煤礦生產(chǎn)的安全性在很大程度上決定于工作面巷道圍巖的控制效果。目前，煤礦綜采工作面以錨桿+錨索聯(lián)合支護方式為主，該種支護方式與傳統(tǒng)棚式支架支護相比具有支護效果好、支護成本低、作業(yè)人員勞動強度低等優(yōu)勢[1]。但是，在實際生產(chǎn)中，為了兼顧對圍巖的控制效果和支護成本，需要結(jié)合工作面地質(zhì)、煤層條件對錨桿支護參數(shù)進行優(yōu)化，在安全生產(chǎn)的同時，達到快速掘進、開采的效果。本文將重點對回采巷道的支護參數(shù)進行優(yōu)化，并對優(yōu)化后支護參數(shù)對應(yīng)圍巖的穩(wěn)定性進行監(jiān)測。

1 B12煤層概況

烏東煤礦的年生產(chǎn)能力核定為6 Mt，本文以該煤礦的B12煤層的開采任務(wù)為例開展研究。B12煤層的最大厚度為39.45 m、最小厚度為31.83 m，該工作面煤層的平均厚度為37.45 m。同時，該工作面煤層的平均傾角為45°，屬于急傾斜厚煤層工作面。為保證后續(xù)支護參數(shù)的優(yōu)化效果滿足實際生產(chǎn)需求，對B12煤層所屬工作面的巖層和煤層的力學性能，如表1所示。

表1 B12工作面煤層、巖層力學性能

B12煤層的普氏硬度為1.4，屬于軟煤的序列。目前，B12煤層所屬工作面的支護參數(shù)如下：錨桿型號為HBR335，錨桿直徑為20 mm、長度為2 500 mm，間距為800 mm、排距為800 mm。錨索直徑為18.9 mm、長度為10 000 mm，錨索間距為1 500 mm、排距為1 600 mm，每排錨索的數(shù)量為3根。

通過對B12煤層所屬工作面錨桿+錨索聯(lián)合支護方式對應(yīng)的圍巖結(jié)構(gòu)進行探測可知，當前支護參數(shù)下B12煤層所屬工作面的穩(wěn)定性屬于四類，即為不穩(wěn)定狀態(tài)巷道[2]。因此，需對當前巷道所采用的支護參數(shù)進行優(yōu)化。

2 回采巷道錨桿支護參數(shù)的優(yōu)化確定

本文將采用FLAC3D軟件對當前錨桿支護參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。首先根據(jù)烏東煤礦地質(zhì)、煤層條件建立數(shù)值計算模型，模型的具體尺寸長度為35 m、寬度為5 m、高度為45 m，數(shù)值計算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬計算模型

基于數(shù)值模擬計算模型將煤層、巖層的參數(shù)在模型中進行設(shè)置。模型設(shè)置的單元數(shù)為1 956 500個，設(shè)置的節(jié)點數(shù)為2 026 944個。邊界條件設(shè)置如下：模型底部為固定邊界，模型頂板為自由邊界。根據(jù)所建立的數(shù)值模擬計算模型，分別對錨桿長度、錨桿間距、錨桿排距和錨桿數(shù)量等參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 錨桿長度

錨桿長度為關(guān)鍵參數(shù)，該參數(shù)直接決定支護區(qū)域內(nèi)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]。根據(jù)標準可知，所配套錨桿長度不得小于其適用工作面圍巖的松動圈尺寸。該工作面圍巖松動圈尺寸為1 912m。本小節(jié)將對錨桿長度為1 900 mm、2 200 mm、2 500 mm和2 800 mm對應(yīng)的支護效果進行對比。其余參數(shù)錨桿直徑為20 mm，間排距為800 mm、800 mm。在上述四種錨桿長度的基礎(chǔ)上對應(yīng)巷道的變形進行對比。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同錨桿長度對應(yīng)巷道的變形量對比

如圖2所示，隨著錨桿長度的增加，對應(yīng)工作面巖幫位移量、煤幫位移量、頂板下沉量和底鼓量均下降；其中，對底鼓量的影響不大。不同的是，隨著錨桿長度的增加對應(yīng)位移量減小趨勢減緩，即當錨桿長度增大到一定程度后，該參數(shù)對圍巖的控制效果影響不大。

綜上分析，考慮到支護效率，最終確定錨桿長度為2 500 mm，對應(yīng)的錨固長度為1 400 mm。

2.2 錨桿間距

錨桿間距是僅次于錨桿長度參數(shù)對影響圍巖穩(wěn)定性的參數(shù)[4]。當錨桿間距過小時，對應(yīng)支護成本增加，支護效率降低；當錨桿間距過大時，容易導致達不到支護效果。本小節(jié)對錨桿間距為750 mm、800 mm、850 mm、900 mm和1 000 mm對應(yīng)巷道的變形量進行對比，對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同錨桿間距對應(yīng)巷道的變形量對比

如圖3所示，隨著錨桿間距的增加，對應(yīng)工作面巖幫位移量、煤幫位移量、頂板下沉量增加，而底鼓量減小增加；其中，對巖幫位移量的影響不大。不同的是，隨著錨桿間距的減小對應(yīng)位移量減小趨勢減緩，即當錨桿間距減小到一定程度后，該參數(shù)對圍巖的控制效果影響不大。

綜上，最終確定錨桿間距為800 mm，對應(yīng)每排錨桿的數(shù)量為14根。

2.3 錨桿排距

錨桿排距同樣是影響支護效果的關(guān)鍵參數(shù)。當錨桿排距過小時，對應(yīng)支護成本增加，支護效率降低；當錨桿排距過大時，容易導致達不到支護效果。本小節(jié)對錨桿排距為700 mm、800 mm、900 mm和1 000 mm對應(yīng)巷道的變形量進行對比，對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同錨桿排距對應(yīng)巷道的變形量對比

如圖4所示，隨著錨桿排距的增加，對應(yīng)工作面巖幫位移量、煤幫位移量、頂板下沉量增加，而底鼓量減小增加；其中，對巖幫位移量的影響不大。不同的是，隨著錨桿排距的減小對應(yīng)位移量減小趨勢減緩，即當錨桿排距減小到一定程度后，該參數(shù)對圍巖的控制效果影響不大。

綜上，最終確定錨桿排距為800 mm。

通過仿真分析，優(yōu)化后錨桿支護參數(shù)與支護參數(shù)一致。因此，為從根本上解決原支護參數(shù)對應(yīng)工作面圍巖不穩(wěn)定的情況，還需對支護方案進行優(yōu)化。

3 支護參數(shù)的優(yōu)化

根據(jù)工作面的實際情況，具體提出如下三種支護方案，具體闡述如下。

優(yōu)化方案一：將原來的加長錨固方式改進為端頭錨固方式；

優(yōu)化方案二：在原來加長錨固方式的基礎(chǔ)上增加全長錨固的支護方式；

優(yōu)化方案三：將原來的加長錨固方式改進為全長錨固方式[5]；

不同錨固方式對應(yīng)工作面頂板下沉量、底板底鼓量、巖幫位移量和煤幫位移量進行對比，對比結(jié)果如表2所示。

表2 不同錨固方式對應(yīng)支護效果 mm

如表2所示，采用全長錨固方式頂板下沉量、巖幫位移量較其他支護方式具有明顯的改善效果。因此，將原加長錨固方式改進為全長錨固方式。

4 結(jié)語

一直以來，綜采工作面所采用的支護方式對工作面圍巖的控制效果以及工作面生產(chǎn)效率和安全性具有重要意義。為了兼顧支護效果和支護效率、工作量等參數(shù)，需結(jié)合煤礦地質(zhì)、煤層以及巖層等條件對錨桿+錨索聯(lián)合支護方式進行優(yōu)化。本文針對B12煤層所屬工作面錨桿支護參數(shù)進行優(yōu)化，重點通過將加長錨固方式改進為全長錨固方式，解決了原支護參數(shù)對應(yīng)圍巖狀態(tài)不穩(wěn)定的情況。