錨桿支護參數優化技術的研究與應用

蘇 旭

錨桿支護參數優化技術的研究與應用

蘇 旭

(西山煤電股份有限公司鎮城底礦，山西 古交 030203)

鎮城底礦區內斷裂構造發育，南六采區為2.3#煤層目前及今后的主要采區，受地質構造的影響，采掘接替緊張，巷道掘進施工任務重、時間緊。為了提高巷道單進水平和掘進效率，在保證巷道支護強度的前提下，通過FLAC3D軟件進行數值模擬實驗，根據模擬參數優化巷道頂板支護參數，減少巷道支護材料的使用數量，縮短支護鉆孔時間，從而縮短施工作業循環時間，提高掘進效率。

煤巷;錨桿支護;數值模擬;參數優化

西山煤電股份公司鎮城底礦位于西山煤田的西北邊緣，處在獅子河向斜與馬蘭向斜的結合部位。從井田整體構造形態看，略成一個向南傾伏的波浪狀且西北高東南低的不對稱向斜構造。區內斷裂構造發育，且多集中在礦區的西北部的成家曲、赤泥巖及陰家溝三段內。褶曲構造多為輾轉彎曲型，局部陷落柱發育。礦井從建井到2011年底共揭露斷層653條，其中斷層落差≥3.0 m的斷層169條，斷層落差＜3.0 m的斷層484條;揭露陷落柱107個。地層產狀變化不大，地質條件分類報告評定為復雜型，即Ⅲ－Ⅲa、Ⅱb、Ⅱd、Ⅰef。

礦井南六采區為2.3#煤層目前及今后的主要采區，受地質構造的影響，采掘接替緊張，巷道掘進施工任務重、時間緊。為了提高巷道單進水平和掘進效率，考慮在保證巷道支護強度的前提下，通過優化支護參數，減少巷道頂板支護材料的使用數量，縮短支護鉆孔時間，從而縮短施工作業循環時間，提高掘進效率。利用中國礦業大學(北京)FLAC3D軟件進行數值模擬實驗，根據模擬參數對巷道頂板支護參數進行優化，并在南六采區22618工作面順槽施工成功實施，取得了良好的支護效果。

1 工作面概況

1.1 概述

22618工作面所采煤層為2.3#煤層，煤層穩定，整體呈馬鞍形狀，大致由北東向南西傾斜，整體呈一單斜構造，平均傾角7°左右，煤層平均厚度3.5 m，煤層結構為2.3 m(0.5m)0.7 m。煤層頂、底板巖層及特征見表1。順槽凈寬4.5 m，凈高3.0 m，均沿2.3#煤層頂板掘進施工，計劃循環進尺1.8 m，日進尺16.2 m。

表1 煤層頂、底板巖性特征

1.2 原巷道支護方案

頂板支護：采用“錨桿+錨索+鋼筋網”聯合支護對頂板進行支護。錨桿：d20 mm×2 200 mm螺紋鋼，間排距 850 mm ×900 mm;錨索：d17.8 mm ×6 500 mm鋼絞線，“五花”型布置，間距1 200 mm(3根)，1 500 mm(2根)，排距2 700 mm。頂板支護平面圖見圖1。

巷幫支護：采用“錨桿+梯子梁+鐵絲網”聯合支護。錨桿：d20 mm×2 200 mm螺紋鋼，間排距900 mm×1 000 mm。巷幫支護如圖2所示。

2 數值模擬

2.1 模型的建立

結構模型寬度、高度、進深均取30 m。網格按巖層分區劃分，并且為不均勻劃分。坐標原點取在模型的中心位置，z軸向上，x軸向右，y軸指向進深。采用應力邊界條件，模型的上表面施加均勻的垂直壓應力，模型兩側面施加法向約束，模型下表面固定。采用程序內嵌的結構單元模擬各種支護構件。模擬巖層分布見圖3。

圖3 數值計算模型

2.2 開挖監測

本構件模型采用摩爾—庫倫模型。巷道全斷面一次開挖，按計劃進尺開挖，開挖通過對所開挖區段位移指定零模型實現，同時依據方案對巷道進行支護。監測斷面設置在進深1.5 m，在監測斷面上，頂底板和上下幫均沿暴露長度設20個監測點。

2.3 監測結果

按循環進尺1.8 m模擬巷道掘進，在支護措施的控制下，得到的巷道數值模擬最終變形監測結果如下：

頂板豎向位移最大值2.925 7cm(↓)

底板豎向位移最大值1.289 0cm(↑)

左幫水平位移最大值4.928 2cm(→)

右幫水平位移最大值4.456 3cm(←)

進深1.5 m監測斷面位移云圖見圖4，圖5。

2.4 結果分析

位移云圖分析：通過圖4，圖5觀察，頂板中部和底板中部為豎向位移最大區域，左幫在距離幫頂約1.5～2.5 m區域為水平最大位移分布區。左幫位移稍大于右幫位移，片幫和冒頂現象較顯著。

受力分析：剪切狀態圖見圖6，灰色區域為正在發生剪切破壞狀態的圍巖，其中幫部破壞顯著。

監測點位移曲線分析：隨著開挖的進尺，頂、底板及兩幫的監測點位移值趨于收斂，表面繼續施工對該斷面的位移影響將逐漸減小，掘進對該斷面穩定程度屬于可控范圍。頂板中點位移曲線和兩幫中點位移曲線見圖7，圖8。

最大水平主應力分析：模擬中得出的最大水平主應力分布方向與巷道軸向方向夾角較小，故兩幫較頂、底板承受較大的圍巖應力。

3 優化方案

根據模型數值模擬分析，對巷道頂板、兩幫支護參數進行優化，具體調整、優化的參數有：錨桿的直徑和長度;幫錨桿距頂板的預留距;錨索的布置形式及間排距等。

通過對以上參數優化進行排列組合，共形成10種優化方案，經過現場支護效果比對，選定最佳支護方案，達到優化支護參數的目的。

優化后巷道支護方案：

頂板支護：采用“錨桿+錨索+鋼筋網”聯合支護對頂板進行支護。錨桿：d20 mm×2 200 mm螺紋鋼，間排距 850 mm ×900 mm;錨索：d17.8 mm ×6 500 mm鋼絞線，“三花”型布置，間距2 700 mm(2根)，居中(1根)，排距1 350 mm。頂板支護平面圖見圖9。

圖9 優化后頂板支護平面圖

巷幫支護：維持原巷幫支護形式，采用“錨桿+梯子梁+鐵絲網”聯合支護。錨桿：d20 mm×2 200 mm螺紋鋼，間排距900 mm×1 000 mm。只把幫錨桿距頂板的預留距由原方案的300 mm調整為500 mm。巷幫支護平面見圖10。

圖10 優化后巷幫支護平面圖

4 結論

通過以上優化方案分析，可以得出：

1)技術效果。

a)利用原頂板支護錨桿位置空出兩孔布置錨索，減少了錨索的鉆孔時間和鉆孔工作量，并維持了頂板的整體性。b)減少了錨桿和錨索的使用數量，降低了勞動強度，提高了頂板整體支護強度。

2)經濟效益。

以長度6.3 m巷道頂板支護為例，優化支護方案在提高了支護強度的前提下比原支護方案少使用了4根錨桿，1根錨索。目前錨桿單價為65.8元/套，錨索單價為184.3元/套，共計減少費用447.5元，平均每米巷道減少支護費用約71元。按22618工作面順槽工程量為4 000 m，可節省支護費用約28.4萬元。

在鎮城底礦2.3#煤層煤巷施工中，在地質構造或頂板巖層不穩定的情況下，使用這種支護方法，有效地降低了支護材料的使用量，并提高了頂板支護強度，具有較好的推廣和使用價值。

Research and Application on Bolt Supporting Parameters Optimization Technology

Su Xv

The fracture structure develop in Zhenchengdi coal mine，No.6 south mining area is the main mining area of No.2.3 coal seam at present and the future.By the influence of the geological structure，digging replacing is strained，the task of the construction of tunneling is heavy，time is tight.In order to improve the single tunneling level and tunneling efficiency，in the premise of ensuring support strength of the roadway，through the FLAC3D software carries out numerical simulation experiment，Based on the simulation parameters optimizes the support parameters of the roadway roof，reduces the number of use support material，shortens support drilling time，so as to shorten the construction operation cycle time，improve tunneling efficiency.

Coal roadway;Bolt support;Numerical simulation;Parameter optimization

TD353+.6

A

1672－0652(2012)04－0032－03

2012－02－24

蘇 旭(1984—)，男，山西神池人，2007年畢業于中國礦業大學，助理工程師，主要從事采掘設計、支護設計工作(E －mail)39488367@qq.com