煤礦巷道快速掘進支護方案優(yōu)化研究

高子健

（潞安化工集團王莊煤礦， 山西 長治 046000）

0 引言

近幾年，由于我國科技不斷進步，掘進設(shè)備持續(xù)發(fā)展，掘進速度不斷持續(xù)提升，很大程度上縮短了工作面進行投產(chǎn)所使用的時間。工作面推進速度加快造成了煤層應(yīng)力和工作面頂板環(huán)境變化，原支護不能使巷道快速掘進的所有需求得到滿足，基于此，按照頂?shù)装鍘r性的改變來優(yōu)化調(diào)整支護參數(shù)，以潞安化工集團某礦S1301 工作面為研究背景，經(jīng)過優(yōu)化原支護方案，提出適合于該回風巷掘進支護方案。

1 S1301 工作面概況

S1301 工作面位置是在3 號煤層中，且煤層的厚度、煤層厚度的平均值、煤層傾角、局部傾角、煤層埋深、垂直應(yīng)力分別是3.35～10.25 m、6.32 m、3°～22°、≥15°、606.7～667.2 m、17.1 MPa，其頂?shù)装逅哂械膸r性較軟，表1 為該工作面頂?shù)装鍘r性。

表1 S1301 工作面頂?shù)装鍘r性

2 分析目前工作面支護的狀況

2.1 分析目前支護參數(shù)的狀況

該工作面的回風巷的斷面是矩形的，其寬和高分別是4 000 mm、3 200 mm，是順著煤層頂板進行掘進的。

1）用錨索和錨桿聯(lián)合對巷道頂板進行支護，所使用的錨桿是無縱筋螺旋的、左旋的錨桿，規(guī)格是D22 mm×2 000 mm，相鄰排之間的距離是1 000 mm、1 500 mm，進行錨固的是樹脂藥卷，且是兩只；所使用的錨索規(guī)格是D18.9 mm×7 300 mm，相鄰排之間的距離是1 000 mm、1 500 mm[1]。

2）左旋無縱筋螺旋錨桿對巷道兩幫進行支護，錨桿的規(guī)格是D18 mm×1 800 mm，相鄰排之間的距離是1 000 mm、1 500 mm，圖1 為回風巷支護布置示意圖。

圖1 回風巷支護布置示意圖（單位：mm）

2.2 分析原支護方案的成效

控制巷道圍巖變形發(fā)生是原支護方案無法實現(xiàn)的，當進行掘進操作時，常常會有兩幫變形、頂板裂紋出現(xiàn)。由于要保證巷道掘進能夠很好的實施，需要監(jiān)測巷道圍巖所發(fā)生的變形，表2 為S1301 工作面巷道圍巖變形量。原支護方案是有限的支護，導(dǎo)致有突出的巷道圍巖變形，尤其是巷道兩幫，就會影響巷道的掘進，所以，要優(yōu)化設(shè)計其原支護方案。

表2 S1301 工作面巷道圍巖變形量

3 優(yōu)化巷道支護的參數(shù)

3.1 優(yōu)化錨桿參數(shù)

經(jīng)過實測現(xiàn)場，得知回風巷道能夠自穩(wěn)平衡拱的高度是1.9 m，且錨桿支護長度L 要比自穩(wěn)平衡拱所具有的高度要高。

式中：L1、L2、L3分別代表的是頂錨桿的自由一端的長度、平衡拱的拱高、平衡拱的拱外長度，分別取0.1 m、1.9 m、0.5 m。

將數(shù)值代入式（1）得：L=2.5 m。

與此同時，以礦井的真實狀況為基礎(chǔ)，對錨桿的直徑進行選定，所選定的直徑是20 mm。按照對錨桿屈服強度進行測量，得知QB=65 kN，在平衡拱中，錨桿所能承受的載荷最大是G=151.98 kN，那么，1 排所具有的錨桿數(shù)n 是：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2）得：n=4.67。

所以，就能明確，頂板1 排就有5 根錨桿。因為巷道有4 m 的寬度，所以，錨桿排距是800 mm，按照礦井規(guī)格D20 mm×L2 500 mm，就能明確，每排錨桿的間距是1 400 mm。

根據(jù)式（1）、式（2）計算結(jié)果，對錨桿的參數(shù)與間排距進行確定，分別是D20 mm×L2 500 mm，800 mm、1 400 mm。

3.2 優(yōu)化錨索的參數(shù)

以式（3）為基礎(chǔ)，對錨索長度Ls進行計算：

式中：La、Lb、Lc代表的分別是直接頂?shù)暮穸取㈠^索露在外側(cè)那端的長度與其自由端那側(cè)的長度，取值分別是4.3 m、0.3 m、3.2 m。

將數(shù)值代入式（3）得Ls=7.8 m。

4 優(yōu)化支護模擬分析

由于要明確支護方案進行優(yōu)化支護的成效，在本文中，對優(yōu)化之前與之后的原支護的參數(shù)的效果進行了模擬與分析。原巖應(yīng)力要比錨桿支護應(yīng)力所具有的數(shù)量級要大，由于要對支護成效進行保證，在本文中，以零原巖應(yīng)力為基礎(chǔ)，來對支護參數(shù)進行模擬，表3就是圍巖詳細的參數(shù)。并且數(shù)值模型的長、寬、高分別是50 m、2 m、46.2 m，其分布幾乎是水平的。巷道斷面被設(shè)計成了矩形，高×寬是3.2 m×4.0 m，在固定模型的底邊的邊界時，要和水平方向垂直，在固定其左右的邊界時，要和水平平行。

表3 數(shù)值模型巖層材料參數(shù)

從原支護方案里，其巷道頂幫的淺部圍巖的支護壓應(yīng)力的均值是0.16 MPa，而且支護應(yīng)力的值隨著逐漸深入而增大；其兩幫區(qū)域中的圍巖形成平均大小是0.74 MPa 的支護壓應(yīng)力，并且在兩幫所分布的形狀是弧狀的。以下就是應(yīng)該注意的，因為有機的支護體形成于兩幫與頂板的圍巖中，其應(yīng)力順著煤層底板逐漸傳遞到深處，而且壓應(yīng)力由于深度的加深而上升。在優(yōu)化支護方案之后，其巷道頂幫的淺部圍巖所形成的支護壓應(yīng)力的范圍要比原支護方案的要高很多，其平均值是0.23 MPa，而且兩幫支護的平均應(yīng)力是0.96 MPa，其支護應(yīng)力范圍具有和原支護方案相同的分布特征，這就表明，在對支護進行優(yōu)化之后，提高了支護的應(yīng)力，使巷道圍巖更加穩(wěn)定了[2]。

5 現(xiàn)場試驗優(yōu)化之后的支護參數(shù)

在試驗時，要驗證優(yōu)化之后的支護方案，就要把該方案使用到回風巷的50 m 區(qū)域中20 d 來進行試驗并驗證。20 d 中對巷道的頂板移近量與兩幫的變形量進行監(jiān)測的所有數(shù)據(jù)如圖2 和圖3 所示。

圖2 優(yōu)化支護后回風巷頂?shù)装逡平壳€

圖3 優(yōu)化支護后回風巷兩幫移近量曲線

通過對圖2 與圖3 進行分析發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化支護參數(shù)之后，可以很好地控制巷道圍巖底板移近量與兩幫的變形量，而且，頂板移近量與兩幫變形量最大值分別是33.6 mm、11.6 mm，要比原支護方案中頂板移近量與兩幫變形量最大值358.6 mm、465.7 mm 小很多，這就表示在對方案進行優(yōu)化之后，可以很好地控制巷道圍巖的變形。

6 結(jié)語

在本文中，優(yōu)化了潞安化工集團某礦S1301 工作面回風巷原支護方案，經(jīng)過對支護參數(shù)進行優(yōu)化，就可以對巷道圍巖變形量進行進一步控制，而且兩幫變形量與頂板移近量和原支護方案相比有很大幅度的下降。