基于松動圈理論的高抽巷合理支護參數(shù)優(yōu)化研究

張 博

(西山煤電集團 技術中心， 山西 太原 030053)

高抽巷布置在采空區(qū)頂板巖層裂隙范圍內，是通過調節(jié)采空區(qū)瓦斯流向來解決工作面上隅角瓦斯超限的專用巷道[1]. 該類巷道服務年限長、掘進速度慢、巷道穩(wěn)定性難控[2]. 加強支護、維護圍巖穩(wěn)定、有效減少錨桿數(shù)量對于提高巷道掘進速度具有重要工程實際意義[3]. 杜兒坪礦北三盤區(qū)裂隙區(qū)中上部的68308工作面高抽巷，在掘進過程中掘進機破巖量較大，巷道月進尺較少，僅200 m/月，存在錨桿預應力水平偏低，金屬網聯(lián)網方式不恰當?shù)葐栴}。因此，對68308工作面高抽巷進行錨桿支護參數(shù)優(yōu)化研究。

1 工程概況

北三盤區(qū)68308面高抽巷位于北三盤區(qū)6#煤層，主要用于抽放北三盤區(qū)68308和68309兩面8#煤層中瓦斯，使用期限至少5年。設計巷道全長1 500 m. 現(xiàn)場兩幫均采用3根幫錨桿，巷道掘送錨索采用“二一二”五花布置。

2 巷道圍巖破裂范圍特征研究

以杜兒坪礦北三盤區(qū)68308工作面瓦斯高抽巷圍巖地質條件為基礎，建立FLAC3D數(shù)值模型。為滿足模型計算精度及計算速度需要，模型以只覆蓋高抽巷開挖后圍巖影響范圍的煤巖層為研究對象。所開挖巷道及鉆場附近的煤巖體，其上部的巖體重力則以模型頂面施加載荷來代替，根據(jù)北三盤區(qū)地應力測量結果顯示，北三盤區(qū)高抽聯(lián)絡巷所處位置最大水平主應力為26.68 MPa，方向為N44.3°E，最小水平主應力13.82 MPa，巷道埋深484 m，垂直主應力為12.10 MPa.

巷道頂?shù)装鍑鷰r物理力學參數(shù)見表1.

表1 數(shù)值模型圍巖物理力學參數(shù)表

邊界條件為左右前后邊界絞支，底端固支，頂端不施加位移約束，但施加垂直應力，通過initial stress命令將三向主應力施加到各單元進行初始平衡計算，由于模型范圍較小，因此不考慮重力梯度圍巖塑性區(qū)，計算結果見圖1.

圖1 FLAC3D計算結果塑性區(qū)情況圖

計算結果表明，北三盤區(qū)68308面高抽巷開挖穩(wěn)定后圍巖頂?shù)装寮皟蓭妥畲笃屏丫鶆颍畲蠓秶_到1.4 m.

3 支護參數(shù)優(yōu)化

巷道開挖后，圍巖受力狀態(tài)由三向變成了近似兩向，造成巖石應力較大幅度上升。如果圍巖中集中應力值小于下降后的圍巖強度，圍巖處于彈塑性狀態(tài)，圍巖自行穩(wěn)定；如果相反，圍巖將發(fā)生破壞，這種破壞從周邊逐漸向深部擴展，直至達到新的三向應力平衡狀態(tài)為止，此時圍巖中出現(xiàn)了一個破裂帶。把這個由于應力作用產生的破裂帶稱為圍巖松動圈。董方庭等[4]認為，松動圈厚度值一般小于常用錨桿長度,并在設計上可采用懸吊理論進行錨桿長度的計算。

I=Kh+l1+l2

式中：

I—錨桿長度，m；

K—安全系數(shù)，根據(jù)巷道的重要程度及服務年限取值，一般取1～2.5，北三盤區(qū)68308面高抽巷預期服務年限2年，綜合考慮后取1.5；

h—圍巖破裂范圍厚度，m，取1.4；

l1—錨桿外露長度，m,一般取0.1；

l2—錨桿錨入穩(wěn)定地層的深度，m，一般取0.3～0.4，取0.3.

代入公式，計算得到錨桿合理支護長度I=2.5 m.

北三盤區(qū)68308面高抽巷設計矩斷面，長4.2 m×寬3.3 m，常規(guī)地段永久支護采用錨網聯(lián)合支護，基于以上分析，優(yōu)化后的錨桿長度取2 500 mm，根據(jù)錨桿支護優(yōu)化的“三高一低”原則，基本高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。其他支護參數(shù)情況如下：

根據(jù)錨桿支護優(yōu)化的“三高一低”原則，即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則，頂板錨桿間排距為925 mm×1 000 mm，頂板錨索間排距為2 500 mm×2 000 mm，錨索距幫850 mm；幫錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm. 幫部第一根錨桿距頂板為300 mm，第三根錨桿距底板1 000 mm，第三根錨桿距底板超過1 200 mm時必須補打一根幫錨桿。優(yōu)化支護設計圖見圖2.

圖2 北三盤區(qū)高抽巷支護設計圖

4 支護效果分析

為檢測支護效果，在緊靠掘進工作面迎頭采用十字布點法設置了巷道表面位移監(jiān)測點以觀測巷道圍巖的變形狀況，測點布置示意圖見圖3.

圖3 巷道表面位移監(jiān)測斷面布置圖

在巷道標牌900 m和1 310 m處安設了兩個測站，每個測站包括兩個巷道表面位移量測點，分別監(jiān)測巷道左幫、右?guī)秃晚敯逦灰屏浚瑑蓚€測站的巷道表面位移監(jiān)測曲線分別見圖4，圖5.

通過對巷道表面位移的監(jiān)測可以看出：

1) 測站一的測點1和測點2處巷道頂板的最大下沉量分別為20 mm及12 mm，巷道的設計高度為3.3 m，巷道頂板下沉量分別占設計高度的0.60%及0.36%；1、2測點巷道兩幫最大移近量均為15 mm，巷道設計寬度為4.2 m，實際巷道掘進寬度為4.3 m左右，巷道兩幫移近量均占掘進巷道寬度的0.35%.

圖4 第一測站巷道表面位移曲線圖

圖5 第二測站巷道表面位移曲線圖

2) 測站二的1、2測點圍巖變形情況與測站一類似。總體可以看出，隨著巷道掘進，圍巖應力分布逐漸趨于平衡后，圍巖的變形速度逐漸衰減，巷道頂板趨于穩(wěn)定，圍巖支護效果理想。

5 結 論

1) 通過FLAC3D數(shù)值計算結果可知,杜兒坪礦北三盤區(qū)68308工作面瓦斯高抽巷的圍巖破裂范圍在1.4 m左右，為巷道支護參數(shù)的確定提供了可靠依據(jù)。

2) 巷道圍巖松動圈范圍值是一個多因素綜合指標的體現(xiàn)，采用松動圈厚度值為依據(jù)進行圍巖分類能夠真實反映巷道圍巖支護難易程度，并有效指導高抽巷圍巖錨桿支護設計。