巷道錨桿支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化及對比研究

陳國華

（西山煤電西曲礦，山西 古交030200）

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，大部分煤礦事故的發(fā)生是由于對巷道圍巖控制不佳、瓦斯聚集以及透水等所導(dǎo)致。其中，巷道圍巖控制效果不佳導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重，究其原因在于對巷道破壞規(guī)律認(rèn)識不到位以及支護(hù)方案欠佳等[1]。錨桿支護(hù)作為一種主動(dòng)巷道支護(hù)手段，由于其成巷速度快、支護(hù)成本低被廣泛應(yīng)用。但是，巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)過于理論化會導(dǎo)致支護(hù)效果無法滿足實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)。本文將結(jié)合數(shù)值仿真模擬的方法對某礦巷道的錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳支護(hù)效果。

1 工程概況

某煤礦可開采煤層包括有3號、9號和15號煤層，設(shè)計(jì)初期的生產(chǎn)能力為30萬t/a，本文以3號煤層為例展開研究。3號煤層所屬工作面煤層平均厚度為4.36 m，普式硬度為1.2，且工作面煤層傾角較小。經(jīng)探測，3號煤層所屬礦井為低瓦斯礦井。為保證3號煤層工作面巷道圍巖控制效果，對其頂?shù)装迩闆r進(jìn)行研究，具體如表1所示。

表1 3號煤層工作面頂?shù)装迩闆r

經(jīng)探測可知：3號煤層所屬工作面的最大涌水量為320 m3/h。3號煤層工作面所斷面形狀為梯形，斷面上寬度值為2.4 m，下寬度值位3.6 m，巷道高度為2.1 m，在實(shí)際掘進(jìn)工作中發(fā)現(xiàn)，巷道掘進(jìn)至30 m的位置出現(xiàn)較為嚴(yán)重的冒頂、片幫現(xiàn)象的發(fā)生。

其中，巷道頂板下沉量較大并處于連接網(wǎng)的位置被撕開，同時(shí)工字梁被壓彎；而且，隨著巷道頂板下沉現(xiàn)象的加劇繼而影響巷道掘進(jìn)的擾動(dòng)和工作面的回采效率。總的來說，在當(dāng)前支護(hù)方式下3號煤層工作面巷道頂板和兩幫被完全破壞。

2 巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化

3號煤層工作面巷道原采用了噴射混凝土支護(hù)、錨桿支護(hù)以及錨噴聯(lián)合支護(hù)的手段，但是由于各個(gè)支護(hù)環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致最終對巷道圍巖的控制效果不佳[2]。因此，本文結(jié)合數(shù)值模擬仿真分析的手段著重對錨桿支護(hù)和錨噴聯(lián)合支護(hù)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 巷道錨桿支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化

綜采工作面巷道支護(hù)參數(shù)主要包括有錨桿直徑、長度以及間排距等。本文采用錨桿正交試驗(yàn)的方式在不同錨桿參數(shù)組合下對巷道圍巖控制效果（頂板下沉量、底鼓量、巷道左右兩幫的移近量等）進(jìn)行對比分析[3]。結(jié)合3號煤層工作面原錨桿支護(hù)參數(shù)，選擇錨桿正交試驗(yàn)的參數(shù)如下：錨桿直徑為18 mm、20 mm、22 mm、25 mm；錨桿長度為1 800 mm、2 000 mm、2 200 mm、2 400 mm、錨桿間排距為700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm。在此基礎(chǔ)上對64種不同的支護(hù)效果進(jìn)行對比分析。經(jīng)仿真模擬針對下沉量、底鼓量以及兩幫移近量為考核指標(biāo)，并分別得出上述三個(gè)指標(biāo)對應(yīng)的支護(hù)參數(shù)，具體如表2所示。

表2 巷道圍巖各參數(shù)最佳控制效果對應(yīng)的支護(hù)參數(shù)mm

而且，經(jīng)模擬仿真分析可得：錨桿直徑為25 mm、錨桿長度為1 800 mm，錨桿間排距為700 mm×700 mm時(shí)，對應(yīng)頂板的下沉量為23.868 mm，底鼓量為25.675 mm，兩幫的移近量為52.363 mm。

2.2 巷道錨噴支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化

所謂錨噴支護(hù)指的是錨桿支護(hù)與噴射混凝土的聯(lián)合支護(hù)手段，錨噴支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化思路與錨桿支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化思路相同。所選擇錨噴支護(hù)參數(shù)中錨桿支護(hù)參數(shù)如下：錨噴直徑為18 mm、20 mm、22 mm、25 mm；錨噴長度為1 800 mm、2 000 mm、2 200 mm、2 400 mm、錨噴間排距為700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm。在此基礎(chǔ)上對64種不同的支護(hù)效果進(jìn)行對比分析。經(jīng)仿真模擬針對下沉量、底鼓量以及兩幫移近量為考核指標(biāo)，并分別得出上述三個(gè)指標(biāo)對應(yīng)的支護(hù)參數(shù)，具體如表3所示。

表3 巷道圍巖各參數(shù)最佳控制效果對應(yīng)的支護(hù)參數(shù)

綜合分析，錨噴支護(hù)中參數(shù)中最佳錨桿支護(hù)參數(shù)如下：錨桿直徑為18 mm、錨桿長度為1 800 mm，錨桿間排距為900 mm×900 mm時(shí)，對應(yīng)頂板的下沉量為20.119 mm，底鼓量為24.143 mm，兩幫的移近量為41.363 mm。

3 巷道錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

經(jīng)上述數(shù)值模擬分析可知，3號煤層工作面的最佳錨桿支護(hù)參數(shù)中，錨桿間排距為900 mm，錨桿選用直徑為18 mm的螺紋鋼筋，且錨桿長度為1 800 mm。

針對工作面頂板冒落和片幫的現(xiàn)象，采用金屬網(wǎng)片支護(hù)的方式，具體網(wǎng)片的規(guī)格如下：網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm，頂板金屬網(wǎng)的尺寸為4.2 m×1.3 m；兩幫金屬網(wǎng)的尺寸為2.6 m×1.3 m[4]，而且，頂板金屬網(wǎng)和兩幫金屬網(wǎng)的搭接長度為100 mm。

除此之外，在錨桿、金屬網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上采用C30混凝土對工作面的噴射加固，噴射工序分兩步進(jìn)行，每次噴射50 mm，總共噴射100 mm。

3號煤層工作面巷道的支護(hù)斷面及參數(shù)見圖1。

圖1 工作面巷道斷面及支護(hù)示意圖（單位：mm）

4 結(jié)論

采用上述優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)對3號煤層工作面進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)后具有以下明顯效果：

1）經(jīng)對3號煤層工作面支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后大大改善了作業(yè)人員的工作環(huán)境，降低了現(xiàn)場人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了工作面的運(yùn)輸效率和液壓支架的回撤速度[5]；

2）與原支護(hù)方案相比較而言，錨桿支護(hù)參數(shù)經(jīng)優(yōu)化后大大提升了整個(gè)工作面巷道的利用率；

3）與原支護(hù)方案相比較而言，對錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后整個(gè)工作面的支護(hù)成本節(jié)約了20%。