山西常村煤礦S5軌道下山支護方案優化

郜富平　李政岱

(1.山西潞安環保能源開發股份有限公司常村煤礦；2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院)

對巷道進行有效支護，不僅有助于提高巷道掘進速度，而且對于確保煤礦安全開采大有裨益[1-4]。山西常村煤礦S5延伸采區軌道下山設計采用錨桿、錨索聯合支護方案后，巷道礦壓監測發現巷道變形量較大，錨桿、錨索的支護作用并未得到有效發揮。本研究結合該礦已建巷道的成功支護案例，對巷道支護方案進行優化，并采用FLAC3D數值模擬分析方法以及現場試驗方法對優化方案的支護效果進行分析。

1　工程概況

常村煤礦S5延伸采區軌道下山主要用于S5延伸采區輔助運輸，東接S5軌道下山延伸段，南鄰S5延伸采區皮帶下山，北鄰S5延伸采區2#回風下山。巷道沿3#煤層頂板掘進，設計總長1 910.48 m，斷面為矩形，寬5.3 m，高3.7 m，凈斷面面積為19.61 m2。根據工作面西部鉆孔揭露，S5延伸采區軌道下山圍巖巖性特征見表1。

2　S5軌道下山原支護方案分析

S5軌道下山設計采用錨桿、錨索聯合支護方案，巷道支護斷面如圖1所示。

(1)頂板支護。巷道頂板采用錨桿、錨索聯合支護方式，每排布置6根錨桿，間距960 mm，排距1 000 mm，長度2.4 m。錨索長度為6.3 m，采用“小五花”布置。采用3根錨索支護時，在巷道正中布置1根錨索，距離巷道正中1 450 mm左右各布置1根錨索；采用2根錨索支護時，錨索分別距離巷道正中1100mm，距離巷幫1500mm。打設方向上，最外側2根錨桿傾斜25°打設，其余錨桿、錨索全部垂直于巷道頂板打設。此外，雙鋼筋托梁型φ16 mm，長5 100 mm，寬960 mm，間距120 mm(6眼)。網片規格為5 700 mm×1 100 mm，網格規格為30 mm×30 mm，材質為10#鉛絲，用16#鉛絲聯接，雙絲雙扣，孔孔相聯。

表1　S5延伸采區軌道下山圍巖巖性特征

(2)巷幫支護。每排每幫布置4根錨桿，幫頂角錨桿距頂為300 mm，幫底角錨桿距底為400 mm，錨桿間距1 000 mm，排距1 000 mm。雙鋼筋托梁φ14 mm，長3 300 mm，寬1 000 mm，間距105 mm(4眼)。網片規格為3 600 mm×1 100 mm，網格規格為30 mm×30 mm，材質為10#鉛絲，用16#鉛絲聯接，雙絲雙扣，孔孔相聯。

(3)材料參數。錨桿型號均為NMG-2224，桿體強度為500#，長度為2.4 m，桿尾螺紋型號為M24。錨索材料為φ22 mm、1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，延伸率為7%，鉆孔φ30mm，錨索規格為S5軌道下山在掘進支護過程中，對巷道表面位移、錨桿(索)軸力進行了監測，結果見圖2、圖3。分析圖2、圖3可知：巷道頂板最大下沉量為77 mm；右巷幫最大收斂量為83 mm，左巷幫最大收斂量為55 mm。巷幫收斂呈現不對稱發展，巷道變形量超過50 mm的控制要求；頂板錨桿、左幫錨桿、右幫錨桿和錨索的軸力分別達到77，95，71，177 kN，可見巷道原支護方案中，錨桿、錨索的支護作用并未有效發揮出來。

圖1　S5軌道下山原支護方案斷面支護示意(單位：mm)

φ22 mm× 6 300 mm。錨索預應力不小于250 kN，考慮漲拉損失，漲拉時執行超漲拉，錨索初漲拉力不低于300 kN。

圖2　巷道表面位移變化特征

3　常村煤礦巷道支護案例分析

綜合分析常村煤礦巷道成功支護案例(表2)[5-11]可知：該礦巷道大都采用4根長度均為2 400 m的φ22 mm錨桿加固，間距為800～900 mm，排距為900～1 000 mm；頂板錨索布置方式有“小五花”、“大五花”、“小三花”和雙錨索4種方式，錨索長度有4300，6300，7300mm 3種；頂板錨桿為φ22 mm×2 400 mm左螺旋螺紋鋼，間距分別為900，960，1 100 mm，排距分別為1 000，2 000 mm。

圖3　巷道錨索、桿軸力監測結果

4　S5軌道下山巷道支護方案優化

結合常村煤礦已有的巷道成功支護案例以及該礦S5軌道下山巷道圍巖表面位移及錨桿(索)軸力監測結果，本研究對該巷道原支護方案進行了優化(圖4)。優化方案中，錨桿的長度、間排距均保持不變，但所有錨桿均垂直于頂板打設；錨索布置方式采用“大五花”方式，采用3根錨索支護時，在巷道正中布置1根，其余2根錨桿分別布置于巷道最外側錨桿軸線位置處，并傾斜25°打設；采用2根錨索支護時，錨索布置方式與原支護方案一致；將所有錨索的初張拉力提高至350 kN。

為詳細分析該優化方案的合理性，本研究采用FLAC3D數值軟件對原支護方案和優化支護方案的支護效果進行了對比分析。模型尺寸為45.3 m×36 m×4 m(長×寬×高)，根據巷道開挖造成的應力重新分布影響范圍，巷道周圍建立較為密集的網格，以提高計算精度，模型共劃分為8080個單元，10 602 個節點(圖5)。模型左邊界、右邊界和底側采用法向約束，頂面根據巷道埋深施加法向應力。根據前期的力學試驗，S5軌道下山的煤巖體力學參數見表3。

表2　常村煤礦已建巷道成功支護方案[5-11]

圖4　S5軌道下山優化支護方案(單位：mm)

分析圖6可知，原支護方案下，巷道頂板最大下沉量約為78.47 mm，巷幫最大收斂值呈對稱分布，最大收斂量為71.57 mm，數值分析結果與現場實測的變形值非常接近。

分析圖7可知：支護方案優化后，巷道頂板最大下沉量降低至49.2 mm，巷道兩幫最大收斂量降低至41.67 mm，巷道變形得到了有效控制。

為進一步驗證該優化方案的合理性，現場對優化支護方案進行了工業試驗(試驗段巷道長度為20m)并監測了巷道圍巖表面位移。采用優化方案進行支護后，試驗段巷道頂板最大下沉量為42 mm，兩幫最大收斂量約為48 mm。

圖5　S5延伸采區軌道下山巷道數值計算模型

巖性體積模量/GPa剪切模量/GPa抗拉強度/MPa內聚力/MPa內摩擦角/(°)密度/(kg/m3)粉砂巖5.313.501.400.3139.82600泥巖1.341.090.820.2829.224703#煤層0.350.150.130.2232.51406細砂巖14.006.462.200.3744.62686

圖6　采用原方案支護后的巷道變形特征

圖7　采用優化支護方案后的巷道變形特征

5　結　語

結合現場礦壓監測數據，對山西常村煤礦S5軌道下山原設計方案的支護效果進行了分析。通過對原方案進行適當優化，并采用FLAC3D數值模擬分析、現場工業試驗方法對其合理性進行了驗證。結果表明：采用優化方案進行支護后，巷道圍巖穩定性得到了有效控制。

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