石槽村煤礦220605工作面運(yùn)輸順槽支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文/魏?jiǎn)⒚?趙 華

（作者單位：國(guó)家能源寧夏煤業(yè)集團(tuán)石槽村煤礦)

（責(zé)任編輯：龐永厚）

巷道是煤礦生產(chǎn)開拓系統(tǒng)的重要組成部分，巷道支護(hù)與維護(hù)巷道的穩(wěn)定性是保障礦井安全生產(chǎn)的前提。目前，礦山生產(chǎn)中使用較多的支護(hù)方式是錨桿+錨索+W形鋼帶或組合錨索、錨桿等聯(lián)合支護(hù)，但是由于支護(hù)材料很難回收甚至不能回收，很大程度上造成了支護(hù)材料的浪費(fèi)，導(dǎo)致煤炭企業(yè)利潤(rùn)空間縮小。而對(duì)錨桿支護(hù)進(jìn)行合理優(yōu)化，可以大幅加快巷道掘進(jìn)速度，緩解采掘銜接的緊張局面，同時(shí)一定程度上能夠減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

為進(jìn)一步降低回采巷道支護(hù)成本，提高礦井生產(chǎn)效益，借鑒“高強(qiáng)度、低密度”的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)理念，對(duì)國(guó)家能源寧夏煤業(yè)集團(tuán)石槽村煤礦220605工作面運(yùn)輸順槽支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過錨桿懸吊理論、普氏自然平衡拱理論、經(jīng)驗(yàn)公式、FLAC3D數(shù)值模擬等研究方法，分析了220605工作面運(yùn)輸順槽開挖后塑性破壞區(qū)分布規(guī)律，對(duì)比分析了巷道支護(hù)優(yōu)化前后巷道圍巖的變形量。實(shí)踐表明，優(yōu)化后的支護(hù)措施有效控制了巷道圍巖的變形，為后期巷道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。

一、工程概況

石槽村煤礦220605工作面位于礦井22采區(qū)，運(yùn)輸順槽開口位于22采區(qū)6煤三區(qū)段輔運(yùn)繞道，切眼位于DF18正斷層南側(cè)保護(hù)煤柱外，停采線位于22采區(qū)開拓巷道保護(hù)煤柱北側(cè)。220605工作面西鄰220603工作面，東邊為設(shè)計(jì)220607工作面，北以DF18斷層保護(hù)煤柱為界，南部為礦井22采區(qū)開拓巷道保護(hù)煤柱。220605工作面上部為1102211及1102103工作面采空區(qū)，下部為未動(dòng)用原始煤層。

220605工作面運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1902m，自220605工作面運(yùn)輸順槽“Z2”測(cè)點(diǎn)向前7.5m開口，以-5°～-10°坡度沿煤層頂板施工至220605工作面切眼位置。

二、理論分析

1.按懸吊作用計(jì)算

錨桿長(zhǎng)度按下式估算，即：

式中 L—錨桿長(zhǎng)度；

H—軟弱巖層厚度或冒落拱高度；

K—安全系數(shù)，一般取2；

L1—錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般可按經(jīng)驗(yàn)取0.4m；

L2—錨桿的外露長(zhǎng)度，取0.10m。

軟弱巖層厚度是根據(jù)地質(zhì)資料、實(shí)測(cè)或經(jīng)驗(yàn)估計(jì)；冒落拱高度按下式估算，即：

式中 B—巷道開挖寬度，5.6；

f—巖石堅(jiān)固性系數(shù)，取3；

帶入計(jì)算H＝5.6÷2÷3＝0.93m

則L＝KH＋L1＋L2=2×0.93＋0.4＋0.1＝2.36m

結(jié)論：錨桿長(zhǎng)度選擇應(yīng)不小于2.36m，則拱部使用L=2.5m螺紋鋼錨桿能滿足支護(hù)要求。

錨桿間排距按下式估算，即：

式中 s—錨桿的間、排距，m；

Z—錨桿錨入自然平衡拱范圍之外的額外深度，取0.4m；

a—巷道的半跨度，本巷道掘進(jìn)寬度為5.6m，則半跨度為2.8m；

b—頂板巖層的破壞深度，取0.9m；

結(jié)論：錨桿的間排距應(yīng)不大于1.0m×1.0m，頂錨桿間排距800×800mm符合要求。

錨桿直徑按下式計(jì)算，即：

式中 d—錨桿最小直徑，mm；

Q—錨桿設(shè)計(jì)錨固力，取127KN；

結(jié)論：錨桿直徑的選取應(yīng)滿足d不小于18.1mm。

2.根據(jù)普氏自然平衡拱理論確定幫部錨桿

錨桿長(zhǎng)度按下式計(jì)算，即：

式中 L—錨桿長(zhǎng)度，m；

L1—煤壁破碎深度，m；

L2—錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，按經(jīng)驗(yàn)取0.4m；

L3—錨桿外露(金屬托板+螺母厚度+外露螺母長(zhǎng)度)，0.1m；

煤壁破碎深度L1按下式計(jì)算，即：

式中 f—巖石普氏系數(shù)，取1.7；

B—巷道開掘?qū)挾龋?.6m；

帶入?yún)?shù)得煤壁破碎深度L1為：

根據(jù)上述公式得出：

結(jié)論：幫部錨桿長(zhǎng)度取值應(yīng)能滿足L大于1.8m。

幫錨桿的間、排距的相關(guān)計(jì)算參數(shù)帶入公式（4），其中Z=0.4m；a=2.8m，b=L1=1.3m，則：

結(jié)論：錨桿間排距應(yīng)不大于0.84m×0.84m。

幫錨桿直徑的相關(guān)計(jì)算參數(shù)帶入公式（5），其中錨桿設(shè)計(jì)錨固力Q取值100KN，錨桿桿體抗拉強(qiáng)度取值490Mpa，得出幫錨桿直徑：

結(jié)論：幫錨桿直徑的選取應(yīng)滿足d不小于13.5mm。

3.經(jīng)驗(yàn)公式

根據(jù)新奧法理論可知：

（1）錨桿長(zhǎng)度：對(duì)于比較完整的硬巖，錨桿長(zhǎng)度取1.0～1.2m；對(duì)于完整性較差的中硬巖石，錨桿長(zhǎng)度取巷道寬度的1/4～1/3，一般為2～3m。根據(jù)新奧法，L=1.25～1.7m。

結(jié)論：頂錨桿長(zhǎng)度2500mm符合要求。

（2）錨桿間排距：硬巖，錨桿間距取1.5～2.0m；中硬巖石，錨桿間距取1.5m。

結(jié)論：頂錨桿間排距800×800mm符合要求。

三、支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

1.原支護(hù)方案

（1）巷道頂板采用Ф22×2500mm螺紋鋼錨桿支護(hù)，錨桿間距900×1000mm，每孔使用2節(jié)MSK2370型錨固劑，巷道拱部掛鋼筋網(wǎng)。

（2）巷道頂板采用Ф21.8×8300mm錨索支護(hù)，錨索間距1200×2000mm，每孔使用3節(jié)MSK2370型錨固劑。

（3）巷道幫部采用Ф22×2500mm螺紋鋼錨桿支護(hù)，錨桿間排距為800×1000mm，每孔使用2節(jié)MSK2370型錨固劑，兩幫掛塑鋼網(wǎng)支護(hù)。

2.優(yōu)化支護(hù)方案

（1）錨桿支護(hù)參數(shù)。選用材質(zhì)不低于BHRB500的高強(qiáng)錨桿，拱部錨桿選用左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，桿體直徑Ф=20mm、長(zhǎng)度L=2500mm。頂板拱部錨桿間排距為900×1000mm；幫部直墻段錨桿采用φ20×2000mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，幫部直墻段錨桿第一根距底板為230mm，與巷道巖面呈15°打設(shè)，距底板800mm打設(shè)第二根錨桿，直墻段錨桿排距為1000mm；巷道斷面每排布置14根錨桿，桿尾螺紋采用滾壓加工工藝成型，長(zhǎng)度為150mm。

（2）錨索支護(hù)參數(shù)。錨索采用φ21.8×7300mm鋼絞線錨索，間排距為1600×2000mm，每孔使用3節(jié)MSK2370型錨固劑，鉆孔直徑Ф=30mm，錨固長(zhǎng)度為2100mm。錨索預(yù)緊力不小于250KN，每排5根錨索。

（3）鋼筋網(wǎng)及鋼帶。巷道表面鋪設(shè)Φ6.5mm圓鋼焊接而成的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)片寬度為1000mm，網(wǎng)片長(zhǎng)度為4000mm和3000mm，網(wǎng)孔規(guī)格為150×150mm，金屬網(wǎng)寬1000mm；網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于100mm，并采用10#鐵絲雙絲雙扣，孔孔相聯(lián)。鋼帶選用W鋼帶或圓鋼鋼帶，鋼帶長(zhǎng)度為7000×80mm，共5孔，排距為2000mm。支護(hù)優(yōu)化斷面圖如圖1所示，支護(hù)優(yōu)化平面圖如圖2所示。

圖1 支護(hù)優(yōu)化斷面圖

圖2 支護(hù)優(yōu)化平面圖

四、數(shù)值模擬

1.模型的建立

FLAC是以拉格朗日差分法為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬應(yīng)用軟件，主要應(yīng)用于巖土工程。根據(jù)石槽村煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，采場(chǎng)模型大小為長(zhǎng)×寬×高=100m×50m×1m，模型側(cè)面及底面為固定約束，上邊界施加17MPa垂直應(yīng)力，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，測(cè)壓系數(shù)λ取1.2。

巷道圍巖物理參數(shù)見表1。

表1 巷道頂板各分層巖石力學(xué)參數(shù)

2.優(yōu)化支護(hù)方案前后對(duì)比分析

通過數(shù)值模擬對(duì)比，原支護(hù)方案的頂板最大位移量為3.456mm，巷道底鼓最大移近位移量為3.8923mm，優(yōu)化后的支護(hù)方案比原支護(hù)方案對(duì)頂板、底鼓最大位移量相對(duì)控制的更加有效。

巷道優(yōu)化后，幫部最大位移量為3.9972mm，與原支護(hù)方案最大位移量基本相同。

巷道ZZ方向應(yīng)力在巷道支護(hù)優(yōu)化前后沒有發(fā)生較大的變化。

總之，通過數(shù)值模擬對(duì)比，分析支護(hù)方案優(yōu)化前后支護(hù)效果可得：錨桿參數(shù)以及錨桿數(shù)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)后，在減少支護(hù)成本的情況下，巷道的塑性區(qū)并沒有增大，反而通過巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使巷道圍巖穩(wěn)定性得到更好控制。

五、結(jié)論

根據(jù)石槽村煤礦地質(zhì)資料，通過懸吊理論、普氏自然平衡拱理論等理論分析計(jì)算，得到巷道支護(hù)錨桿的相關(guān)參數(shù)。

通過FLAC3D建模數(shù)值模擬分析220605工作面回采巷道在不同支護(hù)方案的維護(hù)情況，可知頂板最大位移量相對(duì)原支護(hù)方案有所減小，兩幫最大位移量與原支護(hù)方案大致相同，說明優(yōu)化支護(hù)方案比原支護(hù)方案更加有利控制巷道圍巖，為后期巷道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。