晉華宮煤礦半煤巖巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

程 子 厚

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

晉華宮煤礦半煤巖巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

程 子 厚

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

以晉華宮煤礦為例，對(duì)該煤礦8號(hào)煤層工作面皮軌合一巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究，運(yùn)用FLAC3D建立皮軌合一巷的數(shù)值模型，結(jié)合原支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值分析，可知巷道頂板圍巖較為穩(wěn)定，且錨桿軸向受力遠(yuǎn)小于其極限荷載，并依據(jù)模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)皮軌合一巷的優(yōu)化支護(hù)方案，通過(guò)數(shù)值分析可知，優(yōu)化支護(hù)方案能夠維持巷道圍巖的穩(wěn)定，降低了巷道支護(hù)成本。

半煤巖巷，圍巖，支護(hù)參數(shù)，數(shù)值模擬

目前，一些老礦井逐漸將開(kāi)采重點(diǎn)放在薄及中厚煤層，該類煤層的運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷及順槽多為半煤巖巷，而其巷道多采用工程類比法進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的選取，設(shè)計(jì)參數(shù)單一，偏于保守，造成支護(hù)材料與人工的浪費(fèi)[1]，而且由于所依據(jù)的理論基礎(chǔ)不同，錨桿支護(hù)的各參數(shù)會(huì)有很大的差異；另外，在計(jì)算中一些參數(shù)不能從實(shí)際中獲取，計(jì)算結(jié)果存在局限性，因此理論計(jì)算存在很大的不足。

在這種情況下，隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬在井巷錨桿支護(hù)分析中發(fā)揮了重要作用。許多從事煤礦工作的科研人員對(duì)巷道支護(hù)進(jìn)行了大量研究[2，3],數(shù)值模擬方法以其經(jīng)濟(jì)高效及適應(yīng)范圍廣的特點(diǎn)在工程中得到了廣泛應(yīng)用[4]。本文利用數(shù)值模擬方法對(duì)晉華宮煤礦半煤巖巷8711工作面皮軌合一巷的支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，確定了優(yōu)化支護(hù)方案，在保證巷道圍巖穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，降低巷道支護(hù)成本。

1 工程地質(zhì)概況

晉華宮煤礦位于大同市榆澗村莊西部，山地地形，沖溝較發(fā)育。該礦8號(hào)層煤層賦存穩(wěn)定，其老頂為4.55 m砂質(zhì)泥巖，直接頂為6.0 m粗粒砂巖，偽頂為0.66 m砂質(zhì)泥巖，直接底為23.52 m砂質(zhì)泥巖，該煤層厚度為1.2 m～1.58 m，平均厚度為1.4 m，煤層南部與北部較薄，中部較厚，總體為一單斜，走向近北東，傾向北西。頂板砂巖硬度系數(shù)為6～8，與7號(hào)層層間距不足12 m，傾角0°～5°，其中，8711工作面皮軌合一巷，東鄰為實(shí)體，南至盤(pán)區(qū)機(jī)軌合一巷，西鄰5 705巷，北部為實(shí)體，巷道為半煤巖巷，采用矩形斷面，寬4.8 m，高2.65 m。

2 模型建立

根據(jù)巖石力學(xué)原理，掘巷后的應(yīng)力影響范圍約為巷道寬度的3倍～5倍，結(jié)合巷道尺寸，故整個(gè)模型尺寸：X×Y×Z=60 m×8.0 m×50.0 m，如圖1所示。模型一共劃分為55 360個(gè)單元和63 639個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示，整個(gè)模型從上到下依次為含砂泥巖、⑦-1煤、砂泥巖互層、細(xì)粒砂巖、⑦-3煤、砂質(zhì)泥巖、粗粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、⑧煤、砂質(zhì)泥巖，巷道位于⑧煤底部，模型X邊界限制X方向的位移，模型Y邊界限制Y方向的位移，模型底板限制各個(gè)方向的位移，模型頂板為自由面，施加垂向P0=6.76 MPa。確定本次數(shù)值分析采用摩爾庫(kù)侖本構(gòu)關(guān)系，其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 巷道原支護(hù)及其數(shù)值分析結(jié)果

8711工作面皮軌合一巷采用“錨桿+錨索”聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿采用φ18×2 000 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm；錨索采用φ15.24×6 000 mm鋼絞線，間排距為2 000 mm×3 000 mm；幫錨桿采用φ18×1 700 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿，與煤巖分界線夾角45°向上打入,如圖2所示。

表1 8號(hào)煤頂?shù)装鍑鷰r力學(xué)參數(shù)表

1)原支護(hù)方案的穩(wěn)定性分析。通過(guò)數(shù)值分析可知，巷道開(kāi)挖后巷道表面變形破壞，應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，巷道表面位移量呈線性增加，兩幫監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移速度明顯大于巷道頂?shù)装灞O(jiān)測(cè)點(diǎn)，由圖3可知，施加支護(hù)后圍巖變形量明顯降低，逐漸趨于水平。巷道圍巖變形穩(wěn)定后，巷道兩幫位移量較大，為62.8 mm，頂板次之，為51.8 mm，底板位移量最小為44.9 mm。巷道圍巖位移云圖如圖4所示，巷道兩幫變形明顯大于巷道頂?shù)装澹锏绹鷰r的最大變形量處于巷道兩幫的⑧煤層處，為91.0 mm，其次為巷道頂板。

從錨桿和錨索軸力分布圖5可知，巷道兩幫錨桿受力大于巷道頂?shù)装邋^桿，其中，兩幫錨桿軸力極值為39.5 kN，而頂板錨桿軸力次之，為21.9 kN，均遠(yuǎn)小于錨桿破斷荷載，可以降低錨桿支護(hù)強(qiáng)度，尤其是頂板支護(hù)強(qiáng)度。頂板錨索極值為123.4 kN，接近頂板錨索極限荷載一半，錨索受力較為合理，不需要調(diào)整。

2)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析。通過(guò)原支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析可知，巷道圍巖變形較小，圍巖穩(wěn)定較好，尤其是頂板圍巖較為穩(wěn)定。錨桿受力偏小，尤其是頂板錨桿軸力接近其極限荷載的1/5，而錨索受力較為合理，所以可以適當(dāng)降低頂板錨桿的支護(hù)強(qiáng)度，將頂板錨桿間排距由原來(lái)的1 000 mm×1 000 mm擴(kuò)大為1 200 mm×1 200 mm，頂板錨桿數(shù)量由原來(lái)的5根減少為4根，錨索的間排距不變。

3)優(yōu)化支護(hù)方案的穩(wěn)定性分析。支護(hù)方案優(yōu)化后，待巷道圍巖變形穩(wěn)定，通過(guò)數(shù)值分析可知巷道兩幫位移量較大，為63.0 mm，頂板次之，為52.0 mm，底板位移量最小，為44.9 mm，見(jiàn)圖6。巷道圍巖位移云圖如圖7所示，巷道兩幫變形明顯大于巷道頂?shù)装澹锏绹鷰r的最大變形量處于巷道兩幫的⑧煤層處，為94.0 mm，其次為巷道頂板。

從優(yōu)化后錨桿受力分布圖8可知，頂板錨桿受力為23.5 kN，小于錨桿破斷荷載，頂板錨索極值為124.2 kN，錨索受力略有增加，但仍較為合理。所以該優(yōu)化方案理論可行。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)程及結(jié)果

在改進(jìn)支護(hù)段設(shè)立礦壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)頂板錨桿、頂板錨索和兩幫錨桿受力，從2014年6月5號(hào)～2014年6月14號(hào)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行10 d礦壓監(jiān)測(cè)，每天監(jiān)測(cè)一次，監(jiān)測(cè)錨桿錨索受力如圖9所示，頂板離層情況如圖10所示，巷道表面受力情況如圖11所示。

通過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)曲線可知，監(jiān)測(cè)頂板錨桿受力初始值為1.73 t，隨著時(shí)間增長(zhǎng)而緩慢增加至1.89 t，之后頂板錨桿受力幾乎無(wú)變化。而頂板錨索受力初始值為1.98 t，之后錨索受力平緩增加至2.31 t，錨索受力趨于穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)兩幫錨桿受力初始值為0.67 t，隨著時(shí)間增長(zhǎng)而緩慢增加，到第6天，第7天時(shí)錨桿軸向受力略有增加，至1.12 t，之后兩幫錨桿受力幾乎不再增加。

從頂板離層監(jiān)測(cè)曲線可知，2.5 m離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)和8 m離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)的離層值幾乎相同，安裝后第2天離層值增加為2 mm，之后幾乎不再變化，到第6天，7天離層值增加至5 mm，之后幾乎沒(méi)有增加。

從表面收斂曲線可知，頂?shù)装逡平棵黠@兩幫移近量大，頂?shù)装逡平吭诘?天～第3天增加至10 mm，第6天～第7天增加至30 mm，而兩幫移近量幾乎沒(méi)有變化。

5 結(jié)語(yǔ)

1)晉華宮煤礦8號(hào)煤層圍巖力學(xué)性質(zhì)較好，頂板粗粒砂巖硬度系數(shù)為6～8，為皮軌合一巷提供較好的工程地質(zhì)條件。

2)通過(guò)FLAC3D建立皮軌合一巷的數(shù)值模型，結(jié)合原支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值分析，可知巷道頂板圍巖穩(wěn)定性好，位移量較小，而兩幫位移量稍大，但均小于100 mm，而且錨桿軸向受力遠(yuǎn)小于其極限荷載。

3)結(jié)合模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)皮軌合一巷的優(yōu)化支護(hù)方案：頂板錨桿間排距為1 200 mm×1 200 mm，通過(guò)數(shù)值分析及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化支護(hù)方案能夠維持巷道圍巖的穩(wěn)定，可降低施工成本，減少支護(hù)材料的消耗，更好的發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用和圍巖自承能力。

[1] 康紅普，王金華，林 健.煤礦巷道錨桿支護(hù)應(yīng)用實(shí)例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(4)：649-664.

[2] 王漢鵬，李術(shù)才，李為騰.深部厚煤層回采巷道圍巖破壞機(jī)制及支護(hù)優(yōu)化[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012，29(5)：631-636.

[3] 袁 亮，薛俊華，劉泉聲.煤礦深部巖巷圍巖控制理論與支護(hù)技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(4)：535-543.

[4] 何學(xué)科，韋四江，郜進(jìn)海.半煤巖巷錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，28(6)：705-708.

Optimization analysis on support parameter in half-coal and half-rock roadway of Jinhuagong coal mine

Cheng Zihou

(BeijingChinaCoalMineEngineeringCo.,Ltd,Beijing100013,China)

Optimization of support parameters in comprehensive transportation tunnel of No.8 coal seam of Jinhuagong coal mine are carried out. Numerical model of comprehensive transportation tunnel by FLAC3D is established. Numerical simulation on primary support program is performed. Surrounding rock of the roof is relatively stable. Besides, axial force of bolt is much smaller than its limit load. According to the simulation results and field experience, support scheme of comprehensive transportation tunnel is optimized. Through numerical analysis, the optimized support scheme can maintain the stability of surrounding rock and reduce the support cost of the roadway.

half-coal and half-rock roadway， surrounding rock， support parameters， numerical simulation

2015-01-15

程子厚(1982- )，男，研究實(shí)習(xí)員

1009-6825(2015)09-0073-03

TD353

A