回撤巷道圍巖支護優(yōu)化研究

李鵬飛

（山西長治經(jīng)坊莊子河煤業(yè)有限公司， 山西 長治 046000）

引言

煤炭資源的儲地一般分布在新疆、內(nèi)蒙古、山西和陜西等地，四地煤炭資源占全國資源的81.3%，這些地方的煤層埋藏普遍具有薄基巖、埋深淺的特點。由于巷道巖層巖性較軟等原因，使得巷道圍巖變形量較大，工作面回采巷道是材料、人員、煤炭運輸?shù)耐ǖ溃坏┯捎谙锏乐ёo強度較低造成巷道圍巖失穩(wěn)等問題，就會嚴重威脅工人的生命和設(shè)備的安全[1-2]，而對于支護密度過大的巷道，則會造成掘進效率降低，增加成本等問題。因此對工作面巷道進行支護研究十分必要[3]。

1 原支護背景

某礦井田東西走向長為8.790 km、南北走向長為6.149 km，面積29.783 7 km2，目前主要開采9 號、10號煤層，煤層埋深為700 ～980 m。當(dāng)前9 號煤層已經(jīng)逐步完成開采，開采重點轉(zhuǎn)移至10 號煤層，采用平硐開拓，長壁綜放開采，巷道的頂板采用全部垮落法進行治理。目前開采的10 號煤層頂板主要為泥巖，平均厚度為8.86 m，頂板的抗拉強度位于0.75～0.88 MPa抗壓強度在9.5～15.8 MPa，底板同樣以泥巖為主，平均厚度3.55 m，底板的抗拉強度平均值為1.95 MPa，底板泥巖的抗壓強度平均值為65.4 MPa。

目前礦井主回撤通道的支護方案主要采用錨桿、錨索、鋼帶進行聯(lián)合支護。巷道的頂板采用尺寸為Φ18 mm×2 100 mm 的螺紋鋼錨桿，錨桿的間排距為900 mm、875 mm。金屬網(wǎng)采用冷拔絲網(wǎng)，金屬網(wǎng)的規(guī)格為5 400 mm× 1 150 mm，頂網(wǎng)搭接長度為100 mm。金屬網(wǎng)網(wǎng)格尺寸為120 mm×120 mm，頂板錨索尺寸選用Φ22 mm×8 000 mm 的鋼絞線，錨索的間排距設(shè)定為2 000 mm、875 mm，在錨索上配備一根W鋼帶，規(guī)格為2.2 mm×230 mm×4 600 mm。每支錨索采用三支CK2350 樹脂藥卷進行錨固。巷幫采用Φ18 mm×1 800 mm 玻璃鋼錨桿，巷道副幫采用Φ18 mm×1 800 mm 的螺紋鋼錨桿，錨桿的間排距均設(shè)定為1 000 mm、875 mm，錨桿采用CK2335 樹脂卷進行錨固。回撤巷道斷面支護如圖1 所示。

圖1 回撤巷道斷面支護圖（單位：mm）

2 支護優(yōu)化研究

在原有支護方案下，巷道圍巖變形較大，巷道出現(xiàn)失穩(wěn)情況，所以需要對原有支護方案進行優(yōu)化，首先對原有支護方案下巷道圍巖的應(yīng)力及變形情況進行分析，從而得出優(yōu)化方案。利用數(shù)值模擬軟件對其進行研究，首先進行模型的建立，建立模型的長寬高分別為100 m×100 m×45 m，對模型進行網(wǎng)格劃分，在進行網(wǎng)格劃分時，考慮到人為劃定網(wǎng)格對于模擬的精度的影響，所以本文網(wǎng)格劃分時采用網(wǎng)格隨機劃分，完成網(wǎng)格劃分后對模型進行約束的設(shè)定，對模型的左右及模型底端進行固定約束設(shè)定，避免模型出現(xiàn)水平及垂直方向位置，對模型的上端施加垂直均布荷載，均布荷載值為2.5 MPa。完成模型約束設(shè)定后對模型的物理參數(shù)進行設(shè)定，模型的物理參數(shù)設(shè)定參照實際巷道巖層屬性進行設(shè)定，對原有支護方案下的巷道圍巖應(yīng)力及塑性變形進行模擬，模擬云圖如圖2所示。

圖2 原支護方案下巷道模擬云圖

從圖2 中可以看出，主回撤巷道在采用原支護方案時，此時在巷道的兩幫位置高應(yīng)力集中區(qū)逐步向著巷道的四個角進行轉(zhuǎn)移，在巷道的四角位置應(yīng)力最大值為6.23 MPa，此時巷道在四角位置極易出現(xiàn)破壞。觀察巷道圍巖塑性區(qū)分布云圖2-2 可以看出，此時巷道的圍巖塑性區(qū)范圍較大，在巷道的頂板及底板位置會出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，而在巷道的兩幫位置會出現(xiàn)剪切應(yīng)力。可以看出，在原有支護方案下需要對巷道四角位置進行一定的補強支護，對巷道進行支護優(yōu)化。

對主回撤巷道支護進行優(yōu)化，頂板錨桿采用尺寸為Φ18 mm×2 200 mm 的普強預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿，間排距設(shè)定為1 000 mm×875 mm，選用CK2335+K2350樹脂錨固劑各一支，在頂板采用冷拔絲網(wǎng)+W 鋼帶+8號鐵絲網(wǎng)+普強蝶形托盤進行輔助支護，錨桿托盤的尺寸為150 mm×150 mm×8 mm 的蝶型托盤。W 鋼帶尺寸為2.2 mm×230 mm×5 200 mm，鐵絲網(wǎng)的尺寸為3 000 mm×1 150 mm。兩幫支護錨桿選用尺寸為正幫Φ18 mm×1 800 mm，副幫Φ18 mm×2 200 mm的普強預(yù)應(yīng)力錨桿及玻璃鋼錨桿，錨桿的樹脂錨固劑選擇為正幫CK2335+K2350，副幫CK2335，采用8 號鐵絲網(wǎng)+普強蝶形托盤+W 鋼帶進行護表，巷道兩幫錨桿的間排距設(shè)定為1 000 mm、875 mm。由于模擬過程中發(fā)現(xiàn)在巷道的兩幫位置極易出現(xiàn)破壞，所以對巷道的兩幫進行補強支護，補強支護方案如下：采用直徑為22 mm 的“鳥窩”錨索，錨索采用樹脂錨固劑CK2335+Z2360 進行錨固，錨索長度為5 000 mm，采用錨索托盤進行輔助支護，錨索托盤尺寸為300 mm×300 mm×10 mm 的高強度拱形托盤。對優(yōu)化后的支護方案進行模擬研究，確定支護方案的可行性。模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化支護方案下巷道模擬云圖

從圖3 可以看出，當(dāng)回撤巷道采用新的支護方案時，此時在巷道的垂直應(yīng)力分布云圖中巷道的兩幫位置仍為應(yīng)力集中區(qū)域，但此時巷道兩幫的應(yīng)力集中較原支護方案明顯地降低，巷道兩幫應(yīng)力最大值從原有的6.23 MPa，降低至5.79 MPa，降低了0.44 MPa，所以巷道兩幫的應(yīng)力環(huán)境得到了改善，同時觀察優(yōu)化后巷道圍巖塑性變形情況（圖3-2）可以看出，此時兩幫塑性區(qū)寬度較原方案略微減小，此時巷道圍巖的穩(wěn)定性及巷道的穩(wěn)定性得到一定的提升，同時巷道頂板的應(yīng)力環(huán)境在原有基礎(chǔ)減弱，所以優(yōu)化后的支護方案較優(yōu)化前支護效果有了較好的提升，支護優(yōu)化方案可行。

3 結(jié)論

1）對原有支護方案下主回撤巷道應(yīng)力及塑性變形進行分析，此時在巷道的兩幫位置高應(yīng)力集中區(qū)逐步向著巷道的四個角進行轉(zhuǎn)移，在巷道的四角位置應(yīng)力最大值為6.23 MPa。

2）根據(jù)原有支護方案下的模擬云圖對支護方案進行優(yōu)化設(shè)計，給出了錨桿+錨索+冷拔絲網(wǎng)+W 鋼帶+8 號鐵絲網(wǎng)的支護方案。

3）對優(yōu)化后的支護方案進行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化后巷道兩幫應(yīng)力最大值從原有的6.23 MPa 降低至5.79 MPa，降低了0.44 MPa，優(yōu)化之后方案可行。