回采巷道支護(hù)方案數(shù)值模擬及可行性研究
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侯曉志
（內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010）
摘 要 為解決寸草塔一礦5-1煤層回采巷道變形嚴(yán)重問(wèn)題，特使用頂板離層指示儀對(duì)
煤層頂板進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)分析認(rèn)為，單一使用錨桿支護(hù)并不能與頂板巖層形成有效錨固體，
必須增加錨索支護(hù)。在原支護(hù)方式基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了5種支護(hù)方案，采用FLAC3D數(shù)值模擬
軟件分析了5種支護(hù)方案巷道頂板位移特征。結(jié)果表明最佳方案為每排2根錨索和5根錨
桿。工程實(shí)踐表明最佳方案可以保證巷道頂板的安全。
關(guān)鍵詞 回采巷道巷道支護(hù) 數(shù)值模擬 支護(hù)參數(shù) 中圖分類號(hào) TD353
1工程概況
寸草塔一礦隸屬于神華神東煤炭集團(tuán)，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)。首采51134綜采工作面位于5-1煤層第12盤區(qū)，井田構(gòu)造形態(tài)與區(qū)域構(gòu)造一致，為簡(jiǎn)單的單斜構(gòu)造，傾角一般在10～100，17線以南為沿走向發(fā)育寬緩的波狀起伏，向背斜構(gòu)造。19～20線之間有一正斷層，斷層走向2160，傾角為580，落差距20 m，井田內(nèi)無(wú)巖漿侵入。上覆基巖厚度為21. 96～47. 31 m，松散層厚度為0～4. 32 m，以砂質(zhì)泥巖為主。煤層埋藏深度為104～105 m，51134工作面推進(jìn)長(zhǎng)度1250 m，傾向長(zhǎng)度285 m，工作面所采煤層厚度變化不大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層厚度為2.2～2.8 m，平均厚度為2.5 m。煤層頂板相對(duì)破碎，裂隙發(fā)育；直接頂為細(xì)粒砂巖和粉砂巖，老頂為砂質(zhì)泥巖，不存在偽頂，直接底為砂質(zhì)泥巖、泥巖，老底為中、細(xì)粒砂巖。
2 巷道失穩(wěn)原因
51134工作面回采巷道為5.0 m×3.0 m（寬×高）矩形斷面。開(kāi)采初期，巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及參照相鄰礦井煤層按照圍巖穩(wěn)定性Ⅱ類（穩(wěn)定）進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，頂板支護(hù)采用錨桿十菱形金屬網(wǎng)十鋼筋梁的支護(hù)形式，頂板錨桿每排4根，兩幫錨桿每排各3根，錨桿直徑統(tǒng)一為22 mm的螺紋鋼，長(zhǎng)度均為2.2 m。開(kāi)采期間，由于巷道頂板巖層相對(duì)比較破碎，且受采動(dòng)影響，導(dǎo)致錨桿支護(hù)受力不均，使得錨桿與破碎頂板未形成有效錨固體結(jié)構(gòu)，巷道頂板部分區(qū)域呈現(xiàn)下沉趨勢(shì)，致使一些錨桿、金屬網(wǎng)失效；部分區(qū)域頂板出現(xiàn)3～5 mm的裂縫，且裂縫寬度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，已經(jīng)影響到生產(chǎn)的安全進(jìn)行。巷幫與底板相對(duì)完好。
為掌握頂板離層變化情況，使用頂板離層指示儀監(jiān)測(cè)頂板離層位移變化。觀測(cè)點(diǎn)布置在51134工作面前方的回風(fēng)巷中，共設(shè)置2個(gè)巷道超前觀測(cè)站，實(shí)測(cè)回風(fēng)巷道頂板離層變化。隨著工作面的向前推進(jìn)，I測(cè)站頂板離層儀深部5m基點(diǎn)在測(cè)站距工作面49 m時(shí)，開(kāi)始有1 mm的離層變形發(fā)生，觀測(cè)結(jié)束時(shí)最大變形5 mm，淺部3m基點(diǎn)在測(cè)站距工作面15 m時(shí)，有1mm的離層變形發(fā)生，最終變形2 mm。II測(cè)站頂板離層儀深部5m基點(diǎn)在測(cè)站距工作面33 m時(shí)，變形1 mm，當(dāng)工作面推進(jìn)超前測(cè)站位置12 m時(shí)，最終位移變形5 mm，淺部3m基點(diǎn)在測(cè)站距工作面3m時(shí)，有1 mm變形發(fā)生，最終變形1 mm。
通過(guò)2個(gè)測(cè)站的頂板巖層離層位移觀測(cè)分析，隨著工作面的推進(jìn)，受工作面前方支承壓力影響使巷道頂板下位3m的巖層與上位5m巖層的移動(dòng)變形出現(xiàn)嚴(yán)重的不同步現(xiàn)象，說(shuō)明此時(shí)51134工作面的回采巷道頂板巖層已經(jīng)發(fā)生了離層或分離，原來(lái)巷道頂板巖層的組合巖梁變成了分離巖梁結(jié)構(gòu)，分離巖梁結(jié)構(gòu)比原組合巖梁整體結(jié)構(gòu)所能承受的載荷要低的多。在此條件下，僅靠當(dāng)前2.2 m的錨桿十菱形金屬網(wǎng)十鋼筋梁的支護(hù)形式并不能保證復(fù)合破碎頂板的穩(wěn)定，頂板隨時(shí)有冒落的危險(xiǎn)。目前最行之有效的解決辦法是使用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索支
護(hù)，由于頂板深部5m基點(diǎn)層位已有位移變形，因此錨索長(zhǎng)度必須大于5m以上。
3錨索長(zhǎng)度計(jì)算
巷道頂板基本全為軟巖層結(jié)構(gòu)，支護(hù)比較困難，按照錨索長(zhǎng)度公式計(jì)算如下：
將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)，計(jì)算得出錨索深入穩(wěn)定層錨固長(zhǎng)度大于1. 655 m，這里取2m。將所得數(shù)據(jù)代入式(1)得到錨索的總長(zhǎng)度為6.2 m，為保證錨索支護(hù)的絕對(duì)安全，確定錨索長(zhǎng)度為6.7 m。
最終所選錨索長(zhǎng)度為6.7 m，直徑為17.8 mm。錨索托板選用300 mm×300 mm×12mm（長(zhǎng)×寬×厚）的普通鋼板，選用223400的樹(shù)脂錨固劑，每孔3卷，可以滿足要求。
4 回采巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)及數(shù)值模型建立
4.1 回采巷道支護(hù)方案
回采巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)是一個(gè)理論結(jié)合實(shí)際的問(wèn)題。根據(jù)寸草塔一礦5-1煤層的實(shí)際條件，在原支護(hù)方式的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)及工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了5種支護(hù)方案，見(jiàn)表1。方案中錨桿的長(zhǎng)度2.2 m、錨桿排距1.0 m，與原方案相同，錨索排距定為2.0 m，頂板錨桿、錨索安設(shè)角度與頂板呈垂直，通過(guò)數(shù)值模擬的方法確定頂板最優(yōu)支護(hù)方案。
4.2數(shù)值模型建立
根據(jù)所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，建立尺寸為65 mX40 m×85 m模型，固定左右方和下部的邊界條件，上部采用應(yīng)力邊界條件，上邊界建到地表為自由面。根據(jù)研究需要和現(xiàn)場(chǎng)巷道開(kāi)掘的實(shí)際狀況，在回風(fēng)巷道內(nèi)選擇具有代表性的區(qū)域?qū)鷰r進(jìn)行取樣，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得5-煤層回采巷道圍巖的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。
模擬巷道斷面尺寸為5m×3m（寬×高）的 矩形巷道。通過(guò)控制頂板錨桿數(shù)量（每排4根）不變，比較方案一、方案二和方案三支護(hù)效果確定頂板錨索數(shù)量；通過(guò)控制頂板錨索數(shù)量（每排1根）不變，比較方案一、方案四和方案五支護(hù)效果確定頂板錨桿數(shù)量。比較不同數(shù)量錨索和錨桿支護(hù)條件下的模擬結(jié)果，確定最優(yōu)支護(hù)方案。
5 回采巷道支護(hù)方案效果分析
5.1 每排不同根數(shù)錨索位移分布特征
模擬的結(jié)果可知，頂板錨桿均為每排4根的情況下，頂板錨索每排分別為1根、2根、3根時(shí)，巷道頂板下沉量分別為36 mm、27 mm、23 mm，巷道圍巖位移隨頂板錨索根數(shù)的增加而減小，頂板錨索每排從1根增加到2根，位移減小較快，頂板錨索每排從2根增加到3根時(shí)，巷道圍巖位移量減小較為緩慢；說(shuō)明在2根錨索的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加錨索根數(shù)對(duì)于改善圍巖狀況效果不明顯，綜合考慮，方案二為錨索支護(hù)的最優(yōu)方案。
5.2每排不同根數(shù)錨桿位移分布特征
頂板錨索均為每排1根的情況下，頂板錨桿每排分別為4根、5根、6根時(shí)，從模擬的結(jié)果得出：巷道頂板下沉量分別為36 mm、30 mm、26 mm，巷道圍巖位移隨頂板錨桿根數(shù)增加而減小，頂板錨桿每排從4根增加到5根，位移減小較快，頂板錨桿每排從5根增加到6根時(shí)，巷道圍巖位移減小較為緩慢；增加錨桿根數(shù)對(duì)改善圍巖狀況效果有限，最終，確定方案四為錨桿的最優(yōu)支護(hù)方案。
通過(guò)以上數(shù)值模擬方案的比較，方案二與方案四的支護(hù)效果對(duì)提高巷道圍巖穩(wěn)定性有明顯的改善，繼續(xù)加大錨索和錨桿的支護(hù)密度對(duì)控制圍巖穩(wěn)定效果不明顯。綜合考慮，寸草塔一礦5-1煤層最優(yōu)支護(hù)方案為頂板錨索由原來(lái)的無(wú)錨索增加為每排2根錨索，頂板錨桿由原來(lái)的每排4根增加到5根。
6工程應(yīng)用監(jiān)測(cè)結(jié)果
通過(guò)上述確立的最優(yōu)方案，應(yīng)用到工程實(shí)踐中，在51134工作面前方的回風(fēng)巷道中布置2個(gè)巷道超前觀測(cè)站（I測(cè)站和Ⅱ測(cè)站），I測(cè)站布置在距工作面60 m處，Ⅱ測(cè)站布置在距工作面90 m處，每個(gè)測(cè)站同斷面分別安裝3個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)，I測(cè)站1號(hào)測(cè)力計(jì)安裝在頂板靠近煤柱側(cè)，2號(hào)測(cè)力計(jì)安裝在巷道頂板中部，3號(hào)測(cè)力計(jì)安裝在頂板靠近工作面?zhèn)龋?#8545;測(cè)站3個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)安裝位置同I測(cè)站，通過(guò)錨桿測(cè)力計(jì)對(duì)最優(yōu)支護(hù)方案進(jìn)行錨桿載荷測(cè)試。
通過(guò)分析錨桿載荷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得出隨著工作面的向前推進(jìn)，兩個(gè)測(cè)站錨桿測(cè)力計(jì)的錨桿載荷實(shí)測(cè)值在觀測(cè)期間總體比較穩(wěn)定，變化不大，說(shuō)明該段巷道圍巖穩(wěn)定性較好，巷道變形破壞輕微，維護(hù)效果良好。I測(cè)站2號(hào)測(cè)力計(jì)錨桿載荷大于I測(cè)站3號(hào)測(cè)力計(jì)錨桿載荷，也大于I測(cè)站l號(hào)測(cè)力計(jì)錨桿載荷，Ⅱ測(cè)站3個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)載荷也符合上述特征；表明錨桿載荷符合巷道頂板中部載荷>頂板工作面?zhèn)容d荷>巷道頂板煤柱側(cè)載荷。實(shí)踐表明，采用預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)巷道實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)加固支護(hù)措施后，巷道基本支護(hù)一錨桿支護(hù)載荷穩(wěn)定，支護(hù)強(qiáng)度足夠，巷道圍巖整體趨于穩(wěn)定，能夠滿足安全的要求，在完善提高的基礎(chǔ)上可以應(yīng)用于5-1煤層長(zhǎng)壁工作面的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)與支護(hù)實(shí)踐。
7結(jié)語(yǔ)
在確定錨索長(zhǎng)度為6.7 m的基礎(chǔ)上，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析比較了5種支護(hù)方案的巷道頂板下沉量，確定巷道每排為2根錨索及5根錨桿為最優(yōu)支護(hù)方案，并將該支護(hù)方案應(yīng)用于工程實(shí)踐中，經(jīng)錨桿測(cè)力計(jì)檢驗(yàn)，5-1煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制，驗(yàn)證了改進(jìn)后支護(hù)方案的可行性。
