官地礦南五區下組煤軌道巷巷道支護方案優化研究

孟 雷

(西山煤電集團有限責任公司 官地礦,太原 030024)

我國煤炭資源的分布較廣,賦存條件也大不相同,開采賦存條件較為復雜的煤礦時,沖擊災害成為了開采工作的一大難題,由于頂板的突然斷裂產生的大面積崩塌等問題造成煤礦開采的難度逐步增大,所以研究巷道的支護已經成為了一個老生常談的問題,眾多學者對煤礦的支護問題做出了研究。張琪[1]等人對巷道圍巖的穩定性控制進行了研究,通過對工作面巷道的支護參數進行優化,分析了巷道圍巖受采動影響的變化規律,結果證明了優化可以有效的減小巷道的圍巖變形。馬鑫[2]等人采用數值模擬和現場實測相結合的方式對采空區的頂板應力分布和圍巖變形進行分析,發現了煤柱通過底板巖層施加的垂直應力是造成下部開采煤層巷道產生失穩破壞的主要因素。韓連昌[3]等人通過數值模擬與現場實測數據結合研究發現了巷道變形的誘因,提出了基于高壓耦合支護,關鍵支撐部位應力加強等方法對巷道的支護系統進行優化,且通過現場實踐證明了優化的可行性與實用性。徐玉勝[4]等人采用耦合讓亞支護理論對大斷面巷道的支護方案進行了實驗,表明了選定的支護方案的可行性,為以后的研究提供了一定的方向引導。

官地礦南五區下組煤軌道巷位于官地礦南五區,埋深達到700 m以上,前期掘送采用錨桿支護,巷道變形嚴重,為解決此問題,本文對原有的支護方式進行優化,通過對支護系統的優化對頂板的受力情況進行了分析,并利用數值模擬軟件對頂板底板的移近量做出了分析和研究。將優化方案應用于現場后,取得了良好的支護效果。

1 模擬參數設定

通常認為巷道變形所受到的載荷來自于巷道周圍的巖石,范圍大約為巷道支護范圍的1.5倍,所以在研究巷道時可以忽略掉巷道周圍自身寬度1.5倍以外的巖石對巷道的影響。不同位置的巖石對巷道的影響也有所不同,在研究時可以把巖石分為內部巖層和外部巖層,內部巷道在巷道支護上起著穩定頂板的作用,外部巖層穩定性通過內部巖層的穩定性來體現。支護時,支架與內部巖層會形成一個整體共同承擔著外部巖層的載荷,所以通過對其結構和相互影響的研究,可以為巷道的變形控制提供一定的方法[5]。

官地礦南五盤區8#煤煤層厚度為6.5 m,回采巷道沿著工作面底板開始掘進,巷道的埋深為700 m以上。根據現場實踐經驗,錨索的作用主要是將快要脫落的巖石進行控制,將其固定在穩定的巖層上,從而達到支護的效果,同樣可以用于加強巖層本身的結合性,提升巖層本身的抗壓強度,所以錨索支護比錨桿支護具有更強的支護性能。錨桿錨索相互作用關系圖見圖1。

圖1 錨桿錨索相互作用關系圖Fig.1 Anchor and cable interaction

如圖1所示,圖中1為圍巖支護的特性曲線;2為錨桿錨索聯合支護的特性曲線;3為錨巖支護的特性曲線。剛開始開挖時采用錨桿支護為主要的支護方法,隨著開挖的進行同時使用錨索支護輔助,錨桿和錨索的相互輔助可以有效的對巷道提供支護作用,減少巷道圍壓的變形量和巷道的沖擊災害。錨桿選用螺旋鋼材質的錨桿,并選用左旋式螺旋剛將錨桿充分打入圍巖中,使得錨桿與圍巖之間的作用力加強。錨桿的直徑選擇時考慮到錨桿與鉆孔直徑的關系,選取鉆孔直徑為28 mm,錨桿直徑為22 mm。錨桿的長度選擇依據如下公式:

La=Lb+Lc+Ld.

式中:La為錨桿的選取長度,m;Lb為錨桿打入巖層后外露的長度,m;Lc為錨桿的有效長度一般取為2 m(根據松動圈確定);Ld為錨桿的錨固長度,m。

通過上式的計算可以得出錨桿的長度為2.6 m。根據計算設計布置14根錨桿,布置情況如圖2所示。

圖2 錨桿錨索聯合支護斷面圖Fig.2 Cross-sectional view of combined support of anchor and cable

2 支護系統優化后的數值模擬分析

采用FLAC3D模擬軟件對某礦回采巷道的支護進行數值模擬研究,設計巷道的斷面尺寸為4.5 m×2.6 m,模型設計的開挖已經達到90 m。通過觀察模型確定最大的應力集中區,并通過現場監測觀察頂板和底板的移近量,結合現場實際經驗,將模型的彈性模量設置為210 GPa,錨桿的屈服應力設置為153 kN,錨固力設置為120 kN,錨桿的預緊力設置為40 kN。數值模擬云圖如圖3所示。

3-a 未優化前支護應力云圖

3-b 優化后的支護應力云圖圖3 優化前后的支護應力云圖Fig.3 Nephogram of supporting stress before and after optimization

對比圖3云圖可以明顯看出,優化后的支護方案明顯優于原有的支護方案,應力集中區域幾乎相同,優化后的應力值范圍為23 MPa到30 MPa,較優化前的22 MPa到24 MPa上升了許多,充分說明了優化后的支護方式對圍巖的支護效果更加優越,支護強度也有所增大,支護的整體性得到了很大的提升,優化后的支護方案對巷道的整體性和穩定性提供了良好的輔助作用。

通過對巷道頂板和底板安裝位移測量裝置,對巷道頂板和底板的移近量進行研究,支護方案優化前后頂板和底板的移近量對比如圖4所示。

由圖4可知優化后的支護方案(錨桿錨索圍巖共同支護系統)中頂板和底板的移近量明顯小于優化前的支護方案,且支護方案優化前后的頂板底板移近量呈現出對稱的趨勢,對稱中心為支護系統中點的位置,在原先的支護方案下支護系統中點的位置,上下頂板和底板的移近量為154 mm,而對支護系統優化后,在支護系統的中點的位置,上下頂板和底板的移近量僅為92 mm,優化后的支護方案在相同的條件下頂板和底板的移近量減少了約62 mm,可以看出優化后的支護方案更加優越,對頂板和底板的控制更好,而在距離支護系統中點位置2 m的位置,頂板和底板的移近量大約減少了22 mm?？梢钥闯霾捎缅^桿錨索的支護方案可以有效的減小頂板和底板的變形,維護巷道的穩定性。

圖4 支護方案優化前后頂板和底板的移近量示意圖Fig.4 Roof-to-floor convergence before and after optimization

3 結束語

本文對官地礦南五區下組煤軌道巷的支護設計方案進行優化,并利用FLAC3D模擬軟件對支護方案優化前后的應力云圖和頂板底板的移近量進行研究和分析,將優化方案應用于施工現場,使巷道的變形量得到了有效的控制,可以在同類巷道掘送中推廣使用。