綜采工作面支護方案優(yōu)化設(shè)計研究

胡文達

（山西汾河焦煤股份有限公司，山西 臨汾 041602）

煤炭資源一直是我國國民生產(chǎn)生活的重要能源，經(jīng)過多年的開采，煤炭資源的儲量逐步減小。近年來我國提出利用清潔能源代替化石能源的口號，但由于風(fēng)能、水能、太陽能等能源產(chǎn)量對于我國巨大的能源需求可謂杯水車薪，所以在未來很長一段時間內(nèi)，煤炭資源仍是我國能源發(fā)展的重要保證。在礦井開挖過程中，由于巷道支護不當(dāng)，使得礦井出現(xiàn)坍塌、壓架等事故，所以如何避免支護不足或支護不當(dāng)造成的安全隱患是礦井研究的重要課題[1]。臺頭煤礦2S202-1 綜采工作面原有支護方案成本較高，為了降低巷道支護成本，達到降本增效的目的，本文通過數(shù)值模擬軟件對巷道開挖過程進行分析，給出相應(yīng)的最佳支護方案，并通過現(xiàn)場實踐，驗證了優(yōu)化后支護方案的可行性，為礦井經(jīng)濟效益的提升提供一定的參考。

1 工程概況

2S202-1 綜采工作面順槽長度332 m，埋藏深度189 m，工作面主采煤層為2 號煤層，煤層厚度為2.8～3.38 m，平均為3 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～2 層夾矸，煤層傾角平均為5°。頂板主要為粉砂巖，局部為泥巖或砂質(zhì)泥巖，底板多為泥巖，局部為粉砂巖[2]。

2 礦壓觀測

首先通過錨桿測力儀對巷道進行礦壓監(jiān)測，在距離工作面100 m 處布置1 個測站，在測站布置2 個監(jiān)測點，并在每個監(jiān)測點的頂板、巷道兩幫布置錨桿測力儀，共計6 個錨桿測力計，將錨桿測力計收集到的數(shù)據(jù)進行匯總，對測站數(shù)據(jù)進行分析，測站相關(guān)數(shù)據(jù)如圖1 所示。

圖1 錨桿受力曲線

從圖1 可以看出，在距離工作面100 m 時，此時的巷道受到采動影響較小；當(dāng)距離工作面的距離減小至100 m 以內(nèi)時，此時的曲線斜率開始發(fā)生一定的變化，但變化趨勢較小；當(dāng)距離工作面的距離減小至25 m時斜率最大，此時煤柱側(cè)煤體受到較大的載荷，但巷道變形較小。因此距離工作面25 m 時是研究圍巖變形的一個臨界點，當(dāng)距離工作面小于25 m 時，此時的巷道圍巖發(fā)生一定的松動變形，而在距離工作面25 m以上時，巷道圍巖的松動受到工作面影響較小，所以工作面的超前支撐壓力的范圍大致為25 m，在距離工作面25 m 的位置需要進行超前支護，以達到保護巷道的作用。

根據(jù)對支護設(shè)計方案的分析，首先利用FLAC3D軟件進行模型建立，根據(jù)實際的地質(zhì)情況，建立巷道的高、寬分別為4.3 m 和5.8 m，巷道的埋深為240 m，模型的走向為200 m，根據(jù)實際地質(zhì)情況進行模型物理參數(shù)設(shè)定，巖層物理參數(shù)如表1 所示。

表1 巖層物理參數(shù)表

支護方案優(yōu)化后，頂板支護采用的錨桿為Φ20mm×2 000 mm 的500#左旋螺紋鋼錨桿，錨桿的間、排距設(shè)定為900 mm、1 000 mm，設(shè)置錨固長度為1 100 mm，設(shè)定預(yù)緊扭矩為300 N·m；頂板錨索采用參數(shù)為Φ21.6 mm×6 200mm 的鋼絞線，錨索間、排距為1 800 mm、1 000 mm，在錨索端頭的錨固長度設(shè)定為1 500 mm，設(shè)定錨索預(yù)緊力150 kN。同時采用W 型鋼帶將錨桿（索）進行連接，以保證支護的整體性，鋼帶長、寬、高分別設(shè)定為4 800 mm、280 mm、4 mm，兩幫支護的錨桿錨固方式及參數(shù)型號與頂板相同，兩幫的錨索采用參數(shù)為Φ21.6 mm×4 200 mm 的鋼絞線，間、排距設(shè)定為1 400 mm、2 000 mm，預(yù)緊力設(shè)定為100 kN，同樣采用W 型鋼帶將錨桿（索）進行整合，優(yōu)化前后的支護斷面圖如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化前后巷道支護斷面對比圖（mm）

為了提高錨固性能，所有的錨桿、錨索均采用樹脂錨固劑[3]。各種型號樹脂錨固劑的固化性能如表2所示。樹脂錨固劑與幾種材料的黏結(jié)強度如表3 所示。

表2 樹脂錨固劑的固化性能

表3 樹脂錨固劑與幾種材料的黏結(jié)強度 MPa

在選擇錨固劑型號時，錨固劑直徑應(yīng)與鉆孔直徑和錨桿直徑相匹配。為了使錨固劑能順利安裝到鉆孔中，同時又能充分攪拌錨固劑，依據(jù)《煤巷錨桿支護設(shè)計規(guī)范MT/T 1104—2009》，巷道錨桿采用CK2360 型和Z2335 型兩種型號的樹脂錨固劑，鉆孔直徑為28 mm。每根螺紋鋼錨桿使用2 只錨固劑，一支規(guī)格為CK2360，一支規(guī)格為Z2335；每根錨索采用3 支樹脂藥卷，2 支規(guī)格為CK2360，1 支規(guī)格為Z2335。安裝錨固劑時將CK 型錨固劑放在孔底，依次往外放置Z 型錨固劑[4]。

對兩種支護方案下的應(yīng)力應(yīng)變云圖進行分析，繪制優(yōu)化前后的頂板下沉及兩幫位移曲線，如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化前后頂板及兩幫變形曲線

從圖3 可以看出，在支護方案優(yōu)化后，隨著工作面的推進，頂板在距離工作面30 m 的位置出現(xiàn)一定的下沉，此時煤壁側(cè)頂板下沉量在72～84 mm 的范圍內(nèi)，而中部頂板的變形量在72～83 mm，煤柱側(cè)的頂板下沉量為85～92 mm，巷道兩幫的移近量在24～38 mm。而在支護優(yōu)化前，隨著工作面的推進，同樣頂板在距離工作面30 m 的位置出現(xiàn)一定的下沉，此時煤壁側(cè)頂板下沉量在78～93 mm 的范圍內(nèi)，而中部頂板的變形量在78～85.2 mm，煤柱側(cè)的頂板下沉量為84.8～92.7 mm，而此時的巷道兩幫的移近量在37～47 mm。由此可對比看出，經(jīng)過優(yōu)化后巷道整體的變形量有了較為明顯的減小，該優(yōu)化方案較為成功。

3 現(xiàn)場實踐

對優(yōu)化后的支護方案進行現(xiàn)場實踐，用錨桿測力計對優(yōu)化后的支護方案進行檢測，在距離工作面100 m 的位置布置2 個監(jiān)測斷面（斷面3 及斷面4），對監(jiān)測斷面監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行匯總，繪制如圖4 所示的錨桿測力數(shù)據(jù)曲線及頂板離層曲線。

圖4 錨桿測力數(shù)據(jù)曲線及頂板離層曲線

從圖4-1 可以看出，隨著距離工作面距離的減小，錨桿測力計監(jiān)測到的數(shù)據(jù)逐步增大，當(dāng)距離工作面距離大于100 m 時，此時錨桿受力幾乎不發(fā)生變化，因此在距離工作面100 m 以上時影響較小。當(dāng)距離工作面距離小于100 m 時，此時的錨桿受力呈現(xiàn)出先緩慢增大后快速增大的趨勢，同時觀察圖3 可以看出，錨桿的受力最大值均小于錨桿能夠承受的最大載荷50 kN，所以未發(fā)生壓壞的情況，錨桿在回采過程中能夠滿足強度要求。

從圖4-2 可以看出，隨著距離工作面距離的不斷減小，巷道頂板的離層情況呈現(xiàn)先穩(wěn)定后急速增大的趨勢，在距離工作面25 m 的位置出現(xiàn)巨變，在距離工作面大于25 m 情況下，頂板的離層現(xiàn)象幾乎不會發(fā)生，而當(dāng)距離工作面的距離小于25 m 時，頂板發(fā)生離層情況，但最大的離層量值為10 mm，在可控范圍內(nèi)，因此，優(yōu)化后的支護方案能夠滿足礦井正常生產(chǎn)的要求。

4 結(jié)論

1）通過對礦井應(yīng)力進行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在距離工作面100 m 以上時，回采影響較小，而工作面的超前支撐壓力的范圍大致為100 m，在距離工作面25 m 的位置需要進行超前支護。

2）利用數(shù)值模擬軟件對支護方案進行優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化后的支護方案有效降低了巷道圍巖的變形程度，優(yōu)化方案較為成功。

3）通過現(xiàn)場實踐對優(yōu)化后的支護方案進行驗證，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化后的支護方案能夠有效地維持巷道應(yīng)力環(huán)境的穩(wěn)定，且巷道的頂板離層情況也在可控范圍之內(nèi)。