深礦井錨網(wǎng)支護(hù)方案優(yōu)化分析

何 光

(陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司園子溝煤礦，陜西 寶雞 721505)

0 引言

目前我國(guó)開采深度超過1 000 m的生產(chǎn)(在建)礦井達(dá)到47處[1]。在高地應(yīng)力情況下，煤巖體發(fā)生了顯著的變化，從脆性變?yōu)閺椥裕瑤r體內(nèi)顯現(xiàn)出明顯的流變、蠕變和膨脹特征[2-3]。高地應(yīng)力和煤巖體特征決定了深部開采礦井將會(huì)遇到一些動(dòng)力災(zāi)害，這些災(zāi)害主要發(fā)生在巷道附近。因此，深部開采的關(guān)鍵和主要問題就是巷道支護(hù)。

錨桿支護(hù)技術(shù)在中國(guó)主要礦區(qū)的大面積傳播和應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。目前，國(guó)內(nèi)外錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法可分為3類，即：工程類比法、計(jì)算方法和數(shù)值模擬方法[4]。工程類比法有很大的隨意性，不能解決復(fù)雜的邊界問題，因此，它的應(yīng)用有限[5]。將計(jì)算方法和數(shù)值模擬方法相結(jié)合，采用計(jì)算方法，確定數(shù)種支護(hù)方案，然后采用數(shù)值模擬方法確定深礦井煤巷最優(yōu)的錨桿支護(hù)方案，在嚴(yán)格遵守所提出的施工管理措施的基礎(chǔ)上，巷道斷面變形將得到有效控制。

1 回采巷道錨桿阻力和巷道表面位移監(jiān)測(cè)

1.1 礦井回采巷道錨桿阻力和表面位移監(jiān)測(cè)

礦井位于吉林省西部，產(chǎn)量3.0 Mt/a，地表標(biāo)高為+521.0 m，三水平標(biāo)高為-700 m，目前開采深度已經(jīng)超過1 000 m。-650區(qū)段回風(fēng)平巷采用錨網(wǎng)支護(hù)方式，錨桿長(zhǎng)度為2.5 m，直徑為20 mm，錨桿間排距為0.8 m×0.8 m。錨索采用螺紋鋼，直徑為15.4 mm，長(zhǎng)度為6.0 m，間排距為2.4 m。在巷道掘進(jìn)過程中，發(fā)現(xiàn)巷道表面變形情況嚴(yán)重，巷道四周向內(nèi)側(cè)臌包嚴(yán)重。因此，有必要對(duì)巷道表面位移和錨桿阻力進(jìn)行測(cè)試，以便于判斷圍巖的穩(wěn)定性。

在-650 m回風(fēng)平巷內(nèi)設(shè)置1號(hào)和2號(hào)兩個(gè)測(cè)量斷面，距離為20 m左右[6]。1號(hào)測(cè)量斷面靠近掘進(jìn)面，距離為12 m左右。每個(gè)測(cè)量斷面布置5個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)，錨桿阻力可以直接從錨桿測(cè)力計(jì)讀出。測(cè)量結(jié)果表明，巷道右?guī)秃陀翼斀清^桿的阻力增加量遠(yuǎn)比其他部位大，其原因可能是巖體應(yīng)力大部分被回采巷道右側(cè)的煤壁承擔(dān)所致。據(jù)此可推斷，巷道左側(cè)煤壁已經(jīng)壓裂，淺部離層已經(jīng)出現(xiàn)。

巷道表面位移測(cè)量結(jié)果表明，巷道頂?shù)装寰嚯x和巷道寬度在12 d后傾向于穩(wěn)定。斷面頂?shù)讕鸵平烤鶠?0 mm。1號(hào)斷面和2號(hào)斷面頂?shù)装逡平嚯x分別為140 mm和65 mm。巷道表面變形如此大，因而應(yīng)該采取措施控制變形量。

通過以上分析，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察和測(cè)量，可以得出結(jié)論，-650 m回風(fēng)平巷錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化，以便于更好地適應(yīng)深部開采的需要。

1.2 巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)量

實(shí)踐已經(jīng)證明，松動(dòng)圈對(duì)巷道的穩(wěn)定性和巷道支護(hù)程度具有密切的聯(lián)系[7]。松動(dòng)圈的測(cè)量對(duì)于選擇合理的支護(hù)方法和支護(hù)參數(shù)，減少巷道維護(hù)成本具有重要的作用。實(shí)踐中采用BA-Ⅱ型松動(dòng)圈測(cè)試儀測(cè)定松動(dòng)圈。首先，在測(cè)點(diǎn)巷道左幫、右?guī)秃晚敯邈@3個(gè)測(cè)量孔，注水后放入儀器進(jìn)行測(cè)量，鉆孔布置如圖1所示，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，巷道左幫、右?guī)秃晚敯宓乃蓜?dòng)圈分別為1.6 m、1.8 m和1.5 m。按照圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)，巷道所處圍巖屬于大松動(dòng)圈圍巖[8]。松動(dòng)圈測(cè)量結(jié)果如圖2所示，由于圍巖中總存在硬的夾層，或者是弱面、裂隙帶等，這將會(huì)造成得到的“孔深-速度”曲線帶有向上或者向下的尖點(diǎn)，判斷松動(dòng)圈時(shí)，要剔除這些異常點(diǎn)，從總曲線的總體趨勢(shì)上判斷。

圖1 松動(dòng)圈測(cè)試時(shí)的鉆孔布置

圖2 炮孔深度和波速曲線

2 錨桿和錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

由于巷道的松動(dòng)圈范圍為1.5～1.8 m，所以錨桿和錨索支護(hù)參數(shù)應(yīng)該按照組合拱理論進(jìn)行設(shè)計(jì)[9]。

2.1 錨桿支護(hù)參數(shù)確定

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，可用下式計(jì)算錨桿參數(shù)[10-11]

L=L1+L2+L3

(1)

式中：L—錨桿長(zhǎng)度，m；L1—錨桿的外露長(zhǎng)度，m；L2—錨桿的有效長(zhǎng)度，m;L3—錨桿的錨固段長(zhǎng)度，m。

通常L1=0.1 m，L2應(yīng)大于等于松動(dòng)圈尺寸，L3=0.3～0.4 m。

m≤0.5L

(2)

m≤1.1

(3)

L2=b+m

(4)

式中：m—錨桿間排距，m；b—組合拱厚度，m。b根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，對(duì)于Ⅳ類圍巖，b=0.9;對(duì)于V類圍巖，b=1.1；對(duì)于Ⅳ類圍巖，b=1.4，此處b=0.9。

(5)

式中：d—錨桿間排距，mm。按照上面的公式，經(jīng)過計(jì)算，確定錨桿各參數(shù)為：L=2.2 m(目前采用2.5 m)，d=22 mm(現(xiàn)在采用20 mm)，m=0.8 m，b=1.0 m。

2.2 錨索參數(shù)確定

X=X1+X2+X3

(6)

式中：X—錨索長(zhǎng)度，m；X1—錨索外露長(zhǎng)度，m；X2—錨索錨固長(zhǎng)度，m；X3—潛在不穩(wěn)定巖層高度，m。通常X1=0.2 m；X2等于巷道寬度。

s=3σ/(4B2γ)×k

(7)

式中：s—錨索排距，m；σ—每根錨索最低破斷載荷，kN；γ—煤巖體積力，kN/m3；B—巷道寬度h，m；k—安全系數(shù)。此處σ=260 kN，γ=14.4 kN/m3，k=0.5。

m=0.85B/n

(8)

式中：m—錨索間距，m；n—排數(shù)。據(jù)以上公式，確定錨索參數(shù)：X=6.0 m，s=1.54 m，m=1.2 m。

3 不同支護(hù)方案的數(shù)值優(yōu)化

按照以上計(jì)算，再結(jié)合目前掘進(jìn)巷道所采用的支護(hù)方式，提出了3種可行的錨桿錨索支護(hù)方案，見表1。

表1 不同的支護(hù)方案

采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，建立了錨桿錨索支護(hù)模型。模型的長(zhǎng)、寬、高分別為45 m、20 m、50 m，總共分為301 995單元，55 063節(jié)點(diǎn)。

圖3 垂直應(yīng)力分布(方案1)

圖3、圖4和圖5是各方案的垂直應(yīng)力分布，從以上3圖中可以看出，最大應(yīng)力分別為24.4 MPa、27 MPa和27.9 MPa。顯然第一種方案應(yīng)力集中程度最低，巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)較好。圖6、圖7和圖8是水平位移分布，可看出最大的水平位移分別為204 mm、260 mm、280 mm。圖9、圖10和圖11是垂直位移分布，可看出，頂板下沉量分別為173 mm、212 mm、243 mm。底板臌起量分別為318 mm、343 mm、381 mm。總體來說，方案1應(yīng)力相對(duì)較小，變形量較小，是最佳的支護(hù)方案。

圖4 垂直用力分布(方案2)

圖5 垂直應(yīng)力分布(方案3)

圖6 水平位移分布圖(方案1)

圖7 水平位移分布圖(方案2)

圖10 垂直位移分布圖(方案2)

圖11 垂直位移分布圖(方案3)

a-參數(shù)優(yōu)化前巷道支護(hù)效果；b-參數(shù)優(yōu)化后巷道支護(hù)效果圖12 巷道支護(hù)效果前后對(duì)比圖

采用方案1的支護(hù)參數(shù)1個(gè)月后，對(duì)巷道的變形情況進(jìn)行了復(fù)查，掘進(jìn)面后方12 m處巷道形狀如圖12中(b)所示，可見，改變了參數(shù)后，與原支護(hù)參數(shù)下巷道斷面(a)比較，巷道斷面變形得到了控制，擴(kuò)大了巷道的有效斷面。巷道表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，掘進(jìn)前期巷道變兩幫及頂?shù)装遄冃瘟肯鄬?duì)較快，后期處于緩慢變形階段，最終達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。1號(hào)斷面和2號(hào)斷面頂?shù)讕鸵平烤鶠?5 mm，1號(hào)斷面和2號(hào)斷面頂?shù)装逡平嚯x分別為55 mm和35 mm。與原有方案對(duì)比，巷道表面變形明顯收窄。

4 結(jié)論

(1)通過監(jiān)測(cè)巷道表面位移和錨桿支護(hù)阻力，發(fā)現(xiàn)-650回風(fēng)平巷巷道表面位移量很大，巷道圍巖出現(xiàn)離層，支護(hù)方式需要改進(jìn)。

(2)巷道左幫、右?guī)秃晚敯宓膰鷰r松動(dòng)圈值測(cè)定結(jié)果表明，巷道圍巖屬于大松動(dòng)圈圍巖，在此基礎(chǔ)上，采用組合拱理論設(shè)計(jì)了錨桿和錨索支護(hù)參數(shù)。

(3)在錨桿錨索支護(hù)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了3種支護(hù)方案。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)3種支護(hù)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出了最優(yōu)支護(hù)方案。實(shí)踐表明，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)后，巷道斷面變形得到了有效控制。