厚軟煤層巷道支護(hù)優(yōu)化研究

王 博

(潞安化工集團(tuán) 新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400)

針對(duì)巷道的支護(hù)問題，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。康紅普[1-3]從錨桿受力及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面總結(jié)了錨桿支護(hù)技術(shù)在我國的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題。左建平[4]從應(yīng)力分布場(chǎng)角度對(duì)巷道支護(hù)關(guān)鍵控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。王羽揚(yáng)[5]、李斌[6]等對(duì)軟巖巷道的變形破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，揭示了軟巖巷道的漸進(jìn)破壞特征，提出了軟巖巷道控制過程中必須遵循的幾點(diǎn)重要原則。戎寬偉[7]等提出了巷道塑性區(qū)應(yīng)是重點(diǎn)支護(hù)對(duì)象的觀點(diǎn)。郭相平[8]等針對(duì)某回風(fēng)巷出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行了破壞機(jī)理分析，并采用全錨索支護(hù)方案取得了顯著的支護(hù)效果。本文以某煤礦煤巷掘進(jìn)工作面的地質(zhì)資料為背景，通過正交試驗(yàn)手段，全面評(píng)估各支護(hù)方案下，圍巖塑性區(qū)分布面積、頂板移近量、兩幫收斂量。

1 工程概況

研究區(qū)域埋深650 m，煤層平均厚度7.2 m。該巷道為矩形斷面，凈寬5.0 m、凈高3.3 m。在掘進(jìn)期間，該巷道經(jīng)常出現(xiàn)頂板局部垮落、片幫等災(zāi)害事故，巷道變形量也較大，局部地段兩幫移近量達(dá)1.2～1.5 m，嚴(yán)重制約了礦井的安全生產(chǎn)。

原支護(hù)方案頂板為每排7根錨桿，錨桿規(guī)格為D22 mm×2 400 mm，間排距為800 mm×1 600 mm。錨索每排6根，規(guī)格為D21.6 mm×7 500 mm，間排距為800 mm×1 600 mm。幫部支護(hù)使用D22 mm×2 400 mm的高強(qiáng)錨桿支護(hù)，間排距為800 mm×800 mm，錨索規(guī)格為D21.6 mm×4 500 mm。以上所有錨桿預(yù)緊力為60 kN，錨索預(yù)緊力為300 kN。原支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 原支護(hù)示意(mm)

2 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，目前可以通過專家決策系統(tǒng)、經(jīng)驗(yàn)類比等多種方式進(jìn)行，但因缺乏足夠的現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)性，一般都難以達(dá)到預(yù)期效果。本文將以該巷道頂?shù)装鍘r層的實(shí)測(cè)力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)(如表1所示)，運(yùn)用FLAC3D大型數(shù)值模擬軟件對(duì)不同支護(hù)方案下巷道的變形破壞規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究。

表1 巷道巖層及煤的物理力學(xué)參數(shù)

因該巷道開挖后表現(xiàn)出了大變形特性，說明原支護(hù)方案未能起到控制圍巖變形的作用，研究成果[9]表明，錨桿預(yù)緊力在40%～70%之間時(shí)，方能有效控制圍巖較早離層，充分調(diào)動(dòng)“大結(jié)構(gòu)”體的自承載能力，所以在對(duì)各支護(hù)參數(shù)進(jìn)行全面評(píng)估的基礎(chǔ)上，將錨桿這一相對(duì)薄弱的支護(hù)環(huán)節(jié)作為優(yōu)化改進(jìn)的重點(diǎn)，具體主要圍繞錨桿支護(hù)體的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)展開，分別為錨桿長度、桿體直徑、錨桿預(yù)緊力。

2.1 數(shù)值模型

因?qū)嶋H掘進(jìn)方向長度達(dá)2 500 m，在此將煤巷的變形問題簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，最終確定計(jì)算模型尺寸xyz=50 m×20 m×53 m。模型底部施加全局約束，四周施加水平位移約束，頂部施加垂直補(bǔ)償載荷用于模擬上覆巖層的的自重(σH=16.25 MPa)，其余4個(gè)面采用位移約束命令，各巖層采用摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則。

2.2 模擬方案

本次模擬共涉及錨桿長度、錨桿直徑、錨桿預(yù)緊力3個(gè)因素，每個(gè)因素共劃分3個(gè)水平，錨桿長度分別為2.4 m、2.8 m、3.0 m，錨桿直徑分別為22 mm、24 mm、26 mm，錨桿安裝預(yù)緊力分別為60 kN、120 kN、150 kN。結(jié)果變量分別為塑性區(qū)分布面積、頂?shù)装逡平俊蓭褪諗苛俊０凑粘Ｒ?guī)試驗(yàn)方法需模擬27種工況才能得出最優(yōu)組合。但是通過正交試驗(yàn)，可從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，通過SPSS軟件可生成由9種工況組成的正交試驗(yàn)表，見表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表5 兩幫收斂量極差分析匯總

2.3 支護(hù)優(yōu)化正交試驗(yàn)分析

通過對(duì)表3至表5整理的數(shù)據(jù)可知，對(duì)塑性區(qū)分布面積影響因素由強(qiáng)到弱依次是RC(錨桿預(yù)緊力)>RB(錨桿直徑)>RA(錨桿長度)，這充分說明錨桿預(yù)緊力是控制塑性區(qū)發(fā)育的關(guān)鍵因素。對(duì)巷道頂?shù)装逡平坑绊懸蛩赜蓮?qiáng)到弱依次是RA(錨桿長度)>RC(錨桿預(yù)緊力)>RB(錨桿直徑)。對(duì)兩幫移近量影響因素由強(qiáng)到弱依次是RA(錨桿長度)>RC(錨桿預(yù)緊力)>RB(錨桿直徑)。通過方差分析可知，錨桿預(yù)緊力對(duì)巷道塑性區(qū)分布面積及圍巖的位移變化規(guī)律均有較大影響，所以本著經(jīng)濟(jì)適用的原則，本次支護(hù)優(yōu)化首先考慮在不改變錨桿體結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，將錨桿預(yù)緊力由原設(shè)計(jì)的60 kN提升到150 kN，然后再對(duì)支護(hù)優(yōu)化完成后的新巷道進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為了更好地驗(yàn)證采用正交實(shí)驗(yàn)確定參數(shù)的合理性，在新掘巷道的頂板、底板及兩幫各設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用十字布點(diǎn)法對(duì)掘進(jìn)過程中巷道的位移變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，監(jiān)測(cè)斷面的變形曲線如圖2所示。

圖2 巷道變形曲線

由圖2可知，在測(cè)點(diǎn)布設(shè)完成后的前70 d內(nèi)，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰屏烤尸F(xiàn)出快速遞增的趨勢(shì)，在70 d后變形逐漸趨穩(wěn)收斂分別為23 mm、18 mm。同時(shí)通過鉆孔窺視，幫部裂隙區(qū)的發(fā)育深度也僅為0.5 m，較支護(hù)優(yōu)化前深度減少20%.

4 結(jié) 語

1) 對(duì)塑性區(qū)分布面積影響因素由強(qiáng)到弱依次是RC(錨桿預(yù)緊力)>RB(錨桿直徑)>RA(錨桿長度)，這充分說明錨桿預(yù)緊力是控制塑性區(qū)發(fā)育的關(guān)鍵因素。對(duì)巷道頂?shù)装逡平坑绊懸蛩赜蓮?qiáng)到弱依次是RA(錨桿長度)>RC(錨桿預(yù)緊力)>RB(錨桿直徑)。對(duì)兩幫移近量影響因素由強(qiáng)到弱依次是RA(錨桿長度)>RC(錨桿預(yù)緊力)>RB(錨桿直徑)。

2) 錨桿預(yù)緊力對(duì)巷道塑性區(qū)分布及圍巖的位移變化規(guī)律均有較大影響，固本次支護(hù)參數(shù)優(yōu)化先將錨桿預(yù)緊力由原設(shè)計(jì)的60 kN提升到150 kN。

3) 采用新的支護(hù)方案后，兩幫及頂?shù)装宓淖冃瘟枯^小，幫部塑性區(qū)發(fā)育深度為0.5m。