泰山隆安礦某掘進工作面支護設計分析

王 強

(山西煤炭運銷集團 泰山隆安煤業有限公司,山西 忻州 036600)

煤礦巷道掘進錨桿支護是掘進過程中一項關鍵技術，隨著時代的不斷發展，巷道支護方式由架棚支護發展至錨桿支護，由低強度錨桿支護發展至高預應力強力錨桿支護。支護設計方法也逐漸由工程類比發展至與理論計算、數值模擬相結合[1]. 泰山隆安礦通過對該礦某掘進工作面生產地質條件、地質力學參數等的分析，計算出巷道支護參數，并通過數值模擬進行驗證。

1 支護數據測定

1.1 地質條件概況

泰山隆安礦位于河東煤田，其11#煤層位于礦井井田南翼，該煤層分為11#上和11#下兩層。根據鉆孔資料，某掘進工作面位于11#下煤層，平均厚度為2 m，直接頂為泥巖，泥質結構，平均厚度2.2 m；直接頂上方為11#上煤層，平均厚度為1.5 m；11#上煤層上方為泥巖，泥質結構，平均厚度為8.5 m；直接底為泥巖，泥質結構，平均厚度5.3 m；基本底為粉砂巖，粗粒結構，平均厚度3.22 m，該掘進工作面小斷層發育。11#煤層地層綜合柱狀見圖1.

圖1 11#煤層地層綜合柱狀圖

1.2 巷道圍巖地質力學評估

地質力學測試主要研究圍巖所處地質力學條件，常見的測試參數有垂直應力、最大水平應力、最小水平應力及最大水平應力方向。目前，常見的地應力測試方法主要有：應力恢復法、應力接觸法、水壓致裂法等。水壓致裂法由于能直接測量絕對應力狀態，測試空間范圍較大，測量速度快等優點，較符合井下實測[2]，故本次圍巖地質力學測試采用水壓致裂法。

水壓致裂地應力測量通常是在巷道圍巖施工鉆孔，在打好的鉆孔中先用主水管將橡膠封隔器送到指定位置，然后注入高壓水，將封隔器脹起，對兩個封隔器之間的巖孔封閉。繼續對封隔器之間的巖孔進行高壓注水，直到將圍巖壓裂，壓裂的方向即最大水平應力方向。測點布置圖見圖2，由圖2可知，在某掘進巷道布置第一測點，在距離某掘進巷道較近處布置第二、三測點。第二、三測點均位于11#上組煤中。地應力測量結果見表1.

圖2 測點布置圖

表1 地應力測量結果表

根據地應力判斷標準：0～10 MPa 為低應力區；10～18 MPa 為中等應力區；18～30 MPa 為高應力區；大于30 MPa 為超高應力區[3].

由表1可知，測點區域地應力場屬于低應力區，支護難度不大。所有測站最大水平主應力均大于垂直主應力，屬于σH>σV>σh型應力場[4]，在該應力場條件下，巷道軸向與最大主應力呈某一夾角時，巷道為最佳布置形式。

最優夾角可用下式計算：

(1)

式中：

α0—巷道軸向與最大主應力夾角，(°)；

σH—最大水平主應力，MPa，取7.93；

σh—最小水平主應力，MPa，取4.28；

σv—垂直應力，MPa，取5.05.

通過計算可知，α0=27.32°. 巷道軸向為正北，與最大水平主應力方向夾角為19.2°，與最佳布置方位相差8.12°.由相關研究結論可知，巷道方向與構造應力的方向之間的夾角小于25°～30°時，對巷道穩定性沒有明顯的不良影響[5]. 故地應力影響在某掘進工作面巷道設計中不予考慮。

1.3 巷道圍巖窺視

圍巖結構窺視主要是查看結構面發育程度，為錨桿和錨索長度選擇及預應力水平確定提供理論依據[6].目前，常用的儀器主要有：光導纖維窺視儀和電子窺視儀。由于電子窺視儀具有更高的解相度，更遠的有效長度及更清晰的影像，故本次窺視采用電子窺視儀進行窺視。測點一窺視結果如下：

1) 頂板0～2 m為泥巖，完整性良好。

2) 2.0～3.7 m為11#上組煤，完整性良好。

3) 3.7～6.1 m為泥巖，在4.9～5.0 m處有裂隙，其余位置完整性較好，局部有泥巖夾層。局部窺視效果圖見圖3.

圖3 局部窺視效果圖

1.4 巷道圍巖強度測試

在測點一處利用圍巖強度測試裝置對巷道頂板以上及巷幫6.1 m范圍內的煤巖體進行了原位強度測試。測試數據經過統計、分析和換算后可知：頂板0～2 m為砂質泥巖，強度平均值為90.61 MPa；2.1～3.7 m為11#上組煤，強度平均值為22.10 MPa；3.8～6.1 m為砂質泥巖，強度平均值為83.92 MPa. 測點一煤巖強度測試結果見圖4.

圖4 測點一煤巖強度測試結果圖

根據圖4，可對某掘進工作面提供以下參考依據：

1) 11#下組煤直接頂為泥巖，單軸抗壓強度為90.61 MPa，強度較高，有利于錨桿預緊力和支護阻力的擴散，結合圍巖窺視結果分析，該巖層自身承載能力好，有利于保持巷道頂板穩定。

2) 11#下組煤頂板巖層結構較多，錨桿盡量錨至11#上組煤，錨索錨至11#上組煤頂板。

1.5 支護參數計算及驗證

結合現有施工材料，初步選取錨桿長度為2.4 m，錨索長度為5.3 m.

1) 錨桿長度計算。

L錨桿=L1+L2+L3

(2)

式中：

L1—外露長度，m，取0.1；

L2—錨桿自由端長度，m；

L3—錨桿深入穩定巖層長度，m，根據經驗取值0.3[7].

L2根據加固拱理論，可知經驗公式：

L2=N(1.1+B/10)=1.76 m

(3)

式中：

N—圍巖穩定影響系數，m，一般為0.9～1.2，取系數1.1；

B—巷道跨度，m，取5.

綜上，L錨桿=2.16 m，即錨桿長度不得小于2.16 m.

2) 錨索長度計算。

L錨索=La+Lb+Lc+Ld

(4)

式中：

La—錨索深入到穩定巖層的錨固長度，m；

Lb—需要懸吊的不穩定巖層厚度，m，取2；

Lc—托板及錨具的厚度，m，取0.16；

Ld—外漏張拉長度，m，取0.3.

La根據經驗公式，可知：

(5)

式中：

K—安全系數，取4；

d1—錨索直徑，mm，取17.8；

fa—錨索抗拉強度，N/mm2；取1 860；

fc—錨索與錨固劑的黏結強度，N/mm2，取15.

綜上，L錨索=4.66 m，即錨索長度不得小于4.66 m.

通過計算可知，錨桿長度=2.16 m<2.4 m，錨索長度=4.66 m<5.3 m，初步選取的錨桿、錨索長度符合要求，且在不考慮其他因素的條件下，兩者長度可適當減短。由圍巖巷道窺視結果可知，頂板4.9～5.0 m處有裂隙，故錨索的長度不減短；由圖1,3可知，11#下組煤直接頂厚度是不斷變化的，為保證錨桿盡量錨至11#上組煤，錨桿取大值2.4 m.即，錨桿長度為2.2 m，錨索長度為5.3 m.

3) 支護方式。

某掘進工作面為矩形斷面，沿11#下組煤底板掘進，掘進寬度5.0 m，高度2.7 m，掘進斷面積為13.5 m2.

錨桿布置：錨桿排距1 100 mm，間距1 100 mm. 每排5根錨桿。

錨索布置：排距2 200 mm，間距1 800 mm，五花布置。

2 支護方式分析

FLAC3D軟件在解決煤礦巷道設計問題上有一定的實用性[8]，一般情況下，支護設計分析主要采用其自帶的CABLE單元。即通過FISH語言對錨桿、錨索賦值模擬預應力錨桿、錨索。

根據上述內容可知：某掘進巷道最佳布置方位與最大水平主應力方向相差8.12°，巷道變形受最大水平主應力影響，但影響較小。故數值模擬中不予以考慮。

2.1 模型范圍及邊界條件

根據實際地質條件，建立模型尺寸為30 m×10 m×27 m的FLAC3D數值模型。根據地應力實測數據，模型X軸方向施加7.93 MPa的應力；模型Y軸方向施加5.05 MPa的應力；模型Z軸方向施加4.28 MPa的應力[9]. 考慮建模需求煤巖層賦存情況測定了煤巖物理參數，見表2.

表2 模型煤巖物理力學參數表

2.2 支護合理性分析

由數值模擬可知：巷道頂板最大下沉量5 mm，巷道最大底鼓量3 mm，巷道頂板下沉量大于底鼓量，最大變形位置在巷道的頂板中部；兩幫移近量基本相同，均為4 mm，移近量最大處均在兩幫中上部。初始模型圖見圖5，巷道頂底板變形量見圖6，巷道兩幫變形量見圖7.

綜上，支護后巷道整體位移量很小，能滿足巷道的使用要求，說明巷道的支護方式在強度上能滿足工程實踐需求。

圖5 初始模型圖

圖6 巷道頂底板變形量圖

圖7 巷道兩幫變形量圖

3 結 論

1) 采用水壓致裂法對巷道圍巖地質力學進行測量，得出巷道布置方向與最大水平主應力方向夾角為19.2°，對巷道穩定性沒有明顯的不良影響。

2) 對巷道圍巖進行窺視，查看結構面的發育程度，發現在4.9～5.0 m處有裂隙。

3) 對巷道圍巖強度進行測試，可以判斷11#下組煤直接頂抗壓強度較高，有良好的承載性；11#下組頂板煤巖層較多，應盡量將錨桿錨至11#下組煤，錨索錨至11#上組煤頂板。并經理論計算，結合實際情況，確定錨桿長度為2.2 m，錨索長度為5.3 m，并提出了支護方式。

4) 對上述支護方式進行數值模擬可知：巷道頂板最大下沉量5 mm，巷道最大底鼓量3 mm，巷道頂板下沉量大于底鼓量，最大變形位置在巷道的頂板中部；兩幫移近量基本相同，均為4 mm，移近量最大處均在兩幫中上部。在強度上能滿足工程實踐需求。