底抽巷快速掘進支護關鍵參數研究

辛曉東,王 榮

(潞安化工集團能源事業部 李村煤礦，山西 長治 046600)

錨桿錨索支護技術問世以來，在煤礦支護中得到了廣泛應用，隨著支護技術的不斷發展，為煤礦安全高效生產奠定了基礎[1-3]。面對地質條件復雜的巷道，礦井普遍通過加大錨桿、錨索的支護密度來提高巷道的支護強度，但未能有效解決巷道的變形問題，還會增加支護時間，造成掘進緩慢[4-6]。本文以李村煤礦底抽巷為研究背景，通過對空頂距等關鍵參數進行研究，減少了作業時間，實現了快速掘進。

1 工程背景

李村煤礦3301進風底抽巷沿著3號煤底板下方10 m位置沿底板掘進，設計長度1 438.37 m，用于瓦斯提前預抽，掩護3301進風巷掘進，其巷道布置位置如圖1所示。3301進風底抽巷設計為直墻半圓拱形斷面，掘進斷面為13.57 m2，掘進寬度4 500 mm，掘進高度3 500 mm。3號煤層厚度平均為5 m，傾角平均為10°，直接頂為砂質泥巖，直接底為泥巖，節理不發育，層理穩定。

圖1 3301進風底抽巷位置布置

2 合理空頂距的確定

借助FLAC3D數值模擬軟件，結合3301進風底抽巷實際地質條件，構建計算模型，見圖2。采用 Mohr -Coulomb屈服準則，且對模型下、左及右邊界進行固定位移約束，其尺寸大小為：x方向30 m，y方向50 m、z方向64 m。根據煤巖體力學實驗及相關地質資料，總結可得表1參數，進行相應分組賦參，分別得出1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m及 3.5 m循環進尺空頂距條件下模型各頂板垂直應力云圖及垂直位移云圖(見圖3、圖4)。

圖2 數值模擬模型

圖3 不同循環步距時頂板垂直應力云圖

圖4 不同循環步距時頂板垂直位移云圖

表1 模型物理力學參數

由圖3可知，巷道掘進后的垂直應力分布在迎頭處有明顯的應力集中現象，即在掘進工作面前方由應力局部增高，應力集中效應主要分布于迎頭前方15 m到后方5 m的范圍內，在應力集中區域前方依舊處于原巖應力，而已支護區域逐漸穩定。

由圖4可知，在循環步距為1 m及1.5 m條件下時，掘進迎頭處巷道頂板并未發生明顯的下沉，且未支護區域內的頂板下沉量比支護段的還要?。辉谘h步距為2 m、2.5 m及3 m條件下時，距離掘進迎頭3m空頂區內發生了較為明顯的頂板下沉，其中下沉最大值位于距迎頭1 m處；若將循環步距擴大到3.5 m，在空頂區域內發生了明顯的頂板下沉，頂板下沉的最大值也是位于距離迎頭1 m處。結合模擬分析結果，利用工程類比法，確定3301進風底抽巷選取3 m為掘進空頂距。

3 支護方案設計

3.1 錨桿間距

在巷道斷面大小不變的條件下，若縮小錨桿間距，為使得巷道支護強度均勻分布，一定程度上會增加錨桿的數量，巷道附近由于錨桿支護作用形成的預應力場也會隨之變化。如圖5所示，若錨桿間距為1 000 mm，錨桿間形成的壓應力場未能很好地形成完整的應力場。適當減小錨桿間距，當錨桿間距為900 mm時，錨桿間壓力場能形成整體支護結構；當錨桿間距繼續減少至800 mm時，并未能加大錨桿壓應力的控制范圍，反而還要加大支護成本。因此，頂板錨桿間距采用900 mm布置較適宜。

圖5 頂錨桿間距不同時巷道頂板的預應力場分布

由于在直墻僅高1 250 mm，基于頂板錨桿間距為900 mm能形成完整的預應力場，根據巷道的幾何參數，可知在幫部布置1根錨桿與頂錨桿形成的預應力場能有效組合。

3.2 錨桿排距

當錨桿排距為1 900 mm時，同一斷面的錨桿所形成的壓應力場能有效形成一個整體，而相鄰兩排的錨桿壓應力區不能有效連接在一起(見圖6)。在排距為1 300～1 700 mm時，同一斷面的錨桿所形成的壓應力場之間能實現銜接，且鄰近兩排錨桿的壓應力場也能相互形成一個完整有效的應力承載結構，從而擴大預應力擴散的范圍，巷道軸向上的圍巖通過錨桿將能有效支護。

圖6 不同錨桿排距時圍巖的預應力場分布

結合對合理空頂距的研究，考慮到一定的安全系數，選取錨桿排距為1 500 mm，在3 m合理空頂距條件下，能夠實現“掘二支二”，節省掘支時間，進一步提高掘進效率。

3.3 錨索布置方式

由圖7可知，當錨索采用2-0-2布置方式時，錨索端部能有效形成壓應力區，其最大值可達0.16 MPa，但是該壓應力區的作用范圍未能使得巷道在徑向上連接為一個整體，不能實現良好的支護；當頂板錨索采用2-2-2或者2-1-2布置方式時，在錨索端部形成的壓應力區域可在巷道的軸向、徑向上都能同時連接起來，形成整體的頂板穩定結構，有明顯的支護效果，其中考慮到材料的消耗及支護工作時間的消耗，最后確定2-1-2布置方式作為在“掘二支二”快速掘進方案下的錨索布置方式。

圖7 3301進風底抽巷不同頂板錨索排列方式時圍巖的預應力場分布

4 現場應用分析

在3301進風底抽巷現場采用上述支護方案，對巷道表面位移及錨桿、錨索受力進行監測，其監測結果見圖8、圖9。

圖8 巷道表面位移-推進度

圖9 錨桿(索)受力情況

由圖8及圖9可知，錨桿、錨索可協同承載，先增加后趨于穩定，與圍巖變形時間曲線趨勢相吻合，表明支護結構與圍巖形成統一的承載體，保證了巷道圍巖穩定，說明支護方案和支護參數的選擇是合理的。

5 結 語

利用FLAC3D數值模型軟件分析不同空頂距下巷道頂板的應力環境及頂板下沉情況，確定李村煤礦3301進風底抽巷合理空頂距為3 m、錨桿采用900 mm×1 500 mm的間排距、錨索采用2 400 mm×3 000 mm的間排距及2-1-2的布置方式，圍巖變形控制良好，掘進速度明顯提高，實現了礦井安全、高效的生產目標。