望云煤礦150101運(yùn)輸巷錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究與應(yīng)用

郭衛(wèi)衛(wèi)

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 望云煤礦分公司，山西 晉城 048400)

1 工程概況

山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司望云煤礦15號(hào)煤層位于太原組下部K2灰?guī)r之下，15號(hào)煤層與9號(hào)煤層間的平均間距為41 m，15號(hào)煤層均厚度為4.86 m，煤層傾角平緩，平均傾角6°，煤層內(nèi)平均含有1層夾矸。

150101運(yùn)輸巷沿煤層頂板掘進(jìn)，斷面為矩形，掘進(jìn)寬度×高度=5.0 m×4.5 m，巷道原有支護(hù)方案為錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿采用D20 mm×2 100 mm的螺紋鋼錨桿，頂板和兩幫間排距均為800 mm×1 000 mm，巷道表面采用金屬網(wǎng)護(hù)表。巷道掘進(jìn)期間，在現(xiàn)有支護(hù)下圍巖變形量小，為選取更為合理的支護(hù)參數(shù)，特進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析。

2 巷道圍巖窺視及支護(hù)參數(shù)分析

2.1 巷道圍巖窺視分析

為掌握150101運(yùn)輸巷頂板巖層的賦存情況，在運(yùn)輸巷中距回風(fēng)大巷550 m處布置測站，該測站與下一個(gè)工作面的回風(fēng)巷相鄰，因此需要詳細(xì)了解巷道頂板圍巖的破壞情況。

通過對(duì)鉆孔現(xiàn)場監(jiān)測采集到的頂板窺視視頻進(jìn)行分析，得到了鉆孔位置處的頂板巖層分布情況。

1) 頂板上方圍巖均為灰?guī)r：孔口0.34 m處有一縱向裂隙存在，長度約為0.13 m；0.46～0.60 m范圍內(nèi)存在一充填開裂結(jié)構(gòu)面，孔壁成型差。

2) 2.65～2.72 m范圍內(nèi)有一煤線存在，煤線內(nèi)裂隙發(fā)育，含少量縱向裂隙；3.22 m處有一構(gòu)造空竅；4.35 m處有兩個(gè)縱向裂隙存在，長度約為0.11 m；4.60 m處有一縱向裂隙，長度約為0.15 m；6.39 m處有一微小縱向裂隙，長度約為0.06 m；6.76 m處有一縱向充填開裂結(jié)構(gòu)面。

對(duì)于150101工作面運(yùn)輸巷而言，頂板灰?guī)r的穩(wěn)定性較好，大部分孔壁成型好、孔壁光滑、無明顯裂隙，除了在孔口范圍內(nèi)有裂隙存在，在巷道頂板圍巖5.30 m的范圍內(nèi)也有部分裂隙發(fā)育。因此僅僅采用錨桿支護(hù)時(shí)，無法保障巷道圍巖的穩(wěn)定，還需要對(duì)巷道進(jìn)行錨索支護(hù)。根據(jù)鉆孔分析得出裂隙分布范圍最大為5.30 m，可以確定錨索長度應(yīng)大于6.0 m.

2.2 錨桿(索)支護(hù)參數(shù)分析

巷道采用錨桿索支護(hù)時(shí)，錨桿索中各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)會(huì)直接影響圍巖的支護(hù)效果。錨桿支護(hù)中支護(hù)參數(shù)眾多，主要包括錨桿規(guī)格、間排距、預(yù)緊力等。由于150101運(yùn)輸巷原有支護(hù)參數(shù)均通過工程類比法確定，現(xiàn)主要考慮支護(hù)成本及施工速率，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行錨桿支護(hù)合理間距和排距的模擬分析，具體分析過程如下：

1) 錨桿間距：根據(jù)眾多理論分析可知[1-3]，巷道開挖后，淺部圍巖變形破壞，圍巖強(qiáng)度降低，錨桿支護(hù)可以改變圍巖物理力學(xué)參數(shù)，提高圍巖峰值強(qiáng)度和峰后殘余強(qiáng)度，所以錨桿間距直接影響圍巖錨固體支護(hù)強(qiáng)度。選擇FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件為研究手段，通過對(duì)不同間距下錨桿預(yù)應(yīng)力場分布特征分析，確定回風(fēng)巷錨桿合理間距。

根據(jù)巷道現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)，結(jié)合礦井生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分別設(shè)置頂板錨桿間距為1 100 mm、1 200 mm和1 300 mm，通過建立數(shù)值模型，分別固定采用相同的錨桿長度，分別進(jìn)行三種錨桿間距下支護(hù)效果的分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能得出巷道圍巖在采用不同的錨桿支護(hù)時(shí)，頂板錨桿預(yù)應(yīng)力場的擴(kuò)散規(guī)律。

巷道頂板錨桿間距為1 100 mm時(shí)，在錨桿長度的1/2左右范圍內(nèi)，相鄰錨桿間形成了連成整體的、平均壓應(yīng)力大于0.35 MPa的有效壓應(yīng)力區(qū)，此時(shí)錨桿對(duì)錨桿間的圍巖起到很強(qiáng)的支護(hù)作用。當(dāng)錨桿間距增大到1 200 mm時(shí)，在錨桿長度1/2左右的范圍內(nèi)形成了壓應(yīng)力大于0.24 MPa的有效壓應(yīng)力區(qū)，相較于間距為1 100 mm時(shí)，有效壓應(yīng)力區(qū)范圍及平均壓應(yīng)力值明顯降低，對(duì)錨桿間圍巖的控制效果一般。錨桿間距增大到1 300 mm時(shí)，相鄰錨桿間未形成面積較大的、連成整體的有效壓應(yīng)力區(qū)，此時(shí)對(duì)圍巖的支護(hù)作用較差。綜上所述，最終確定巷道頂板錨桿間距為1 100 mm.

根據(jù)頂板錨桿合理間距的模擬分析結(jié)果，采取同樣的分析方式進(jìn)行巷道兩幫錨桿合理間距的模擬分析，錨桿間距對(duì)比方案同頂板錨桿間距，通過對(duì)比分析不同幫錨桿間距下的預(yù)應(yīng)力場分布規(guī)律，得出兩幫錨桿合理間距為1 300 mm.

2) 錨桿排距：合理的錨桿排距不僅能夠保障巷道圍巖穩(wěn)定，還能夠加快巷道整體的施工速度。錨桿排距過大不利于圍巖錨固體的形成，容易導(dǎo)致巷道局部圍巖變形過大，從而帶動(dòng)巷道整體變形，使圍巖錨固體失穩(wěn)[4-6]。錨桿排距過小，影響施工速度和支護(hù)成本。與錨桿間距分析方法相同，錨桿排距亦通過對(duì)預(yù)應(yīng)力場分布特征分析而確定。

兩幫錨桿排距為1 100 mm時(shí)，每根錨桿所形成的壓應(yīng)力區(qū)相互疊加，形成了整體的、均勻的有效壓應(yīng)力區(qū)，表示每排錨桿對(duì)排間圍巖產(chǎn)生了很強(qiáng)的支護(hù)作用；當(dāng)錨桿排距增大到1 200 mm時(shí)，相鄰錨桿產(chǎn)生的有效壓應(yīng)力區(qū)相較于1 100 mm時(shí)未見明顯減弱，此時(shí)錨桿對(duì)兩幫的控制效果依舊很好；當(dāng)錨桿排距再增大到1 300 mm時(shí)，相鄰錨桿產(chǎn)生的壓應(yīng)力疊加作用急劇減弱，形成的壓應(yīng)力區(qū)不均勻、不完整，此時(shí)錨桿產(chǎn)生的支護(hù)效果較差。采用同樣的分析方式進(jìn)行頂板錨桿合理排距的模擬分析，綜合模擬分析結(jié)果能夠確定出頂板及兩幫錨桿合理排距均為1 100 mm.

4) 錨桿規(guī)格的確定：由于臨空側(cè)巷道經(jīng)歷動(dòng)壓的影響，服務(wù)時(shí)間較長，又考慮到現(xiàn)場已有的支護(hù)材料規(guī)格，本次設(shè)計(jì)臨空側(cè)巷道選用螺紋鋼錨桿，直徑20 mm.

5) 錨索長度的確定：錨索長度是錨桿支護(hù)系統(tǒng)中的重要支護(hù)參數(shù)之一。錨索本身較長，可以將錨桿錨固范圍圍巖與深層次較穩(wěn)定的圍巖錨固在一起，形成較大范圍的圍巖錨固體，提高錨固體的穩(wěn)定性。其次，錨索長度不能過長，因錨索相對(duì)錨桿而言屬于柔性支護(hù)體，過長錨索絕對(duì)延伸量較大，頂板離層空間較大，容易使煤巖體發(fā)生軸向和橫向錯(cuò)動(dòng)剪斷支護(hù)體。所以錨索長度應(yīng)該根據(jù)圍巖條件進(jìn)行選擇。由150101運(yùn)輸巷與南翼軌道大巷頂板鉆孔窺視分析得出，在150101運(yùn)輸巷3.22～4.60 m范圍內(nèi)存在一構(gòu)造空竅和部分縱向裂隙，在南翼軌道大巷穿層處頂板圍巖5.30 m的范圍內(nèi)也有部分裂隙發(fā)育，因此，結(jié)合望云礦錨索錨固方式與生產(chǎn)條件擬用D17.8 mm×L6 300 mm的七股鋼絞線錨索。

3 支護(hù)優(yōu)化方案

根據(jù)15101工作面運(yùn)輸巷在原有支護(hù)方案下的效果，圍巖在原有支護(hù)方案下變形量小，可進(jìn)一步降低支護(hù)強(qiáng)度；根據(jù)錨桿支護(hù)參數(shù)的模擬分析結(jié)果，綜合巷道地質(zhì)條件及圍巖松動(dòng)圈測試結(jié)果，確定優(yōu)化后頂部與幫部各節(jié)約了1套錨桿，每排共節(jié)約3套錨桿，同時(shí)錨桿排距也有一定程度加大，明顯降低了支護(hù)成本與勞動(dòng)量。

巷道在掘進(jìn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制控頂距。在圍巖條件較穩(wěn)定時(shí)，最多每掘夠兩個(gè)排距即對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，嚴(yán)禁超掘，幫部錨桿中每側(cè)最上兩根錨桿與頂板同時(shí)支護(hù)，其余幫部錨桿可視具體圍巖情況滯后10～15 m進(jìn)行支護(hù)；具體優(yōu)化后方案如下：

1) 頂板支護(hù)：錨桿規(guī)格參數(shù)為D20 mm×L2 100 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距1 100 mm×1 200 mm，配合12號(hào)菱形金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿采用端頭錨固，采用1支MSCKA2335和1支MSZ2360型樹脂錨固劑進(jìn)行端頭錨固，預(yù)緊扭矩為300 N·m，頂板錨桿托盤為扁形鋼板，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm.金屬網(wǎng)采用12號(hào)鐵絲編制的菱形金屬網(wǎng)，孔徑50 mm×50 mm，網(wǎng)片5 200 mm×1 400 mm，采用對(duì)接方式聯(lián)網(wǎng)，用14號(hào)鉛絲雙絲雙扣，隔孔相聯(lián)，扭結(jié)三圈以上。

2) 兩幫控制：兩幫采用左旋螺紋鋼錨桿(開采幫采用玻璃鋼纖維錨桿)配合12號(hào)菱形金屬網(wǎng)支護(hù)。錨桿規(guī)格為D20 mm×2 100 mm，間排距1 300 mm×1 200 mm，預(yù)緊扭矩不低于250 N·m，錨桿采用MSCKa2335和MSZ2360各1支進(jìn)行錨固，托盤為扁形鋼板，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm.金屬網(wǎng)采用12號(hào)鐵絲編制的菱形金屬網(wǎng)，孔徑50 mm×50 mm，網(wǎng)片4 500 mm×1 400 mm，采用對(duì)接方式聯(lián)網(wǎng)，用14號(hào)鉛絲雙絲雙扣，隔孔相聯(lián)，扭結(jié)3圈以上。

150101運(yùn)輸巷優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)如圖1所示。

圖1 150101運(yùn)輸巷支護(hù)布置圖(mm)

4 效果分析

150101運(yùn)輸巷采用優(yōu)化后的支護(hù)方案后，巷道掘進(jìn)期間采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測，測點(diǎn)設(shè)置在掘進(jìn)迎頭位置，持續(xù)進(jìn)行40 d的監(jiān)測作業(yè)，具體監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形曲線圖

分析圖2可知，150101運(yùn)輸巷采用優(yōu)化后的支護(hù)方案后，巷道掘進(jìn)期間，圍巖變形主要集中在掘出后0～10 d，巷道掘出20 d后圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；根據(jù)現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)可知，圍巖變形主要集中在滯后掘進(jìn)迎頭0～28 m內(nèi)，監(jiān)測斷面滯后迎頭55 m后圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?6 mm，兩幫最大移近量為32.5 mm.據(jù)此可知，巷道在現(xiàn)有支護(hù)方案下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 語

根據(jù)150101工作面原有支護(hù)方案的效果，通過數(shù)值模擬軟件進(jìn)行錨桿合理支護(hù)參數(shù)的分析，確定頂板和兩幫錨桿合理間排距分別為1 100 mm×1 200 mm和1 300 mm×1 200 mm，結(jié)合巷道地質(zhì)條件進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)，根據(jù)優(yōu)化方案實(shí)施后圍巖變形情況可知，支護(hù)優(yōu)化方案降低支護(hù)密度后，能夠有效保障圍巖的穩(wěn)定。