厚煤層軟巖巷道支護技術(shù)的分析

史巖鵬

（山西焦煤集團有限責任公司官地煤礦， 山西 太原 030000）

引言

特厚煤層的開采是現(xiàn)階段我國煤炭開采面臨的重要問題。由于在開采特厚煤層時，頂煤的厚度高達數(shù)十米，當巷道的頂板為軟巖時，極易發(fā)生頂板的下沉及巷道的變形，所以為了解決特厚煤層巷道軟巖頂板變形大的問題，許多學(xué)者對巷道的支護設(shè)計做出了一定的研究。此前，王文才等[1]以裕豐公司礦2上煤層與2 下煤層為研究對象，利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對工作面每推進120 m 礦壓顯現(xiàn)進行了分析，發(fā)現(xiàn)煤層的裂隙發(fā)育均存在活躍期到衰減期轉(zhuǎn)變。張治高等[2]為解決深部特厚煤層巷道頂板下沉量大、圍巖變形量等問題，采用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合研究方法，對巷道的支護參數(shù)及支護效果進行了分析，為深部特厚煤層巷道變形嚴重等問題的解決提供了一定的參考。賀彥龍[3]為解決虎龍溝煤礦81502 工作面頂板破碎嚴重的問題，提出“煤層注水+注漿+錨索吊棚+超前加長錨桿支護”聯(lián)合支護方案，通過實踐驗證了聯(lián)合支護方案的可行性，有效降低了頂板的破碎和下沉問題。馬杰[4]針對軟巖巷道變形大的問題，研究了大斷面巷道頂板的支護技術(shù)，采用合理的支護方案對軟巖頂板的支護進行了研究，為解決頂板破碎、巷道的安全提供了保障。本文以西山煤礦9 號煤層為研究對象，對厚煤層軟巖巷道的支護進行分析，在原有支護方案的基礎(chǔ)上進行支護方案的優(yōu)化，為解決軟巖巷道變形大的問題提供借鑒。

1 支護方案的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)實際實際地質(zhì)資料，對運輸順槽工作面進行支護優(yōu)化，在原有支護方案的基礎(chǔ)上，提出錨桿、錨索、W 鋼帶及金屬網(wǎng)的聯(lián)合支護方案。對支護參數(shù)進行安全計算，首先對錨桿的長度進行計算，錨桿長度過長會提升支撐成本，錨桿太短無法達到預(yù)期的支護效果，所以錨桿的長度根據(jù)公式：

式中：L1分別為錨桿的外漏長度，取0.6 m；L2為有效長度，取1.4 m；L3為錨固長度，取0.4 m；L 為錨桿設(shè)計長度，m。代入數(shù)值計算得L=2.4 m。

錨桿的間排距設(shè)計對支護的效果有著重要的影響，合理的間排距使得錨固的預(yù)緊力傳遞效果較好，選定錨桿間排距為0.8 m×0.8 m。

錨桿直徑的選擇對錨固體的抗拉抗剪應(yīng)力都成正相關(guān)，錨桿直徑越大，錨固體的抗剪抗拉越大，根據(jù)公式：

式中：d 為錨桿的直徑，m；Q 為錨固力，取100 kN；σt為錨桿的抗拉強度，取455 MPa。經(jīng)過計算錨桿的直徑為16.7 mm，本文選擇20 mm，根據(jù)計算得出錨桿的尺寸為Φ20 mm×2 400 mm，間排距為0.8 m×0.8 m。錨索設(shè)計的計算過程與上述類似，直接給出錨索的長度為8 m，錨索的直徑懸著為17.8 mm，錨索的間排距為1.6 m×1.6 m。

根據(jù)如上所示，給出厚煤層軟巖巷道的支護方案。錨桿選用左旋無縱筋螺紋錨桿，每支錨桿選用MSZ2360 和MSK2355 樹脂各一支，采用150 mm×150 mm×10 mm 鋼板托盤，每排錨桿為6 根。并利用W 鋼帶與金屬網(wǎng)進行輔助，鋼帶的尺寸為250 mm×3 mm×4 200 mm。金屬網(wǎng)的為網(wǎng)格50 mm×50 mm 的菱形金屬網(wǎng)，每支錨索配合2 支Z2360 樹脂藥卷和一支K2335 樹脂藥卷，輔助一塊鋼板托盤。錨桿的預(yù)緊力設(shè)定為60 kN，錨索則為120 kN。兩幫支護與沿用原有的支護方式。支護方案圖如下頁圖1 所示。

圖1 巷道支護示意圖（單位：mm）

2 優(yōu)化后的支護方案可行性研究

針對優(yōu)化后的支護方式可行性進行研究，利用FLAC-3D 數(shù)值模擬軟件對優(yōu)化前后支護方案的優(yōu)缺點進行分析，模型的尺寸為50 m×30 m×28 m，根據(jù)實際情況對模型進行設(shè)置，優(yōu)化前后垂直應(yīng)力分布云圖如圖2 所示。

根據(jù)圖2 可以看出，在原有支護方案的垂直應(yīng)力云圖中，在巷道的兩幫位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中出現(xiàn)的范圍在1.5～2.8 m，且垂直應(yīng)力的最大值為12.01 MPa，原有支護方式下應(yīng)力集中系數(shù)為1.7。頂板的垂直應(yīng)力在5.7 m 范圍內(nèi)降低，應(yīng)力波動范圍為0.4～5.0 MPa，頂板應(yīng)力降低系數(shù)約為0.15～0.8 之間，巷道兩幫錨固區(qū)形成的承載體承載的應(yīng)力范圍約為3.06～10.28 MPa，用于承載巷道變形產(chǎn)生的垂直應(yīng)力。從優(yōu)化支護后巷道的垂直應(yīng)力云圖可以看出，在巷幫兩幫約1 m 的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中區(qū)域的范圍約為1.36～2.75 m，垂直應(yīng)力最大值為12.37 MPa，應(yīng)力的集中系數(shù)約為1.75。巷道的垂直應(yīng)力在5.7 m 的范圍內(nèi)波動，波動范圍為0.35～5 MPa，在巷道兩幫的錨固區(qū)形成的承載體承載應(yīng)力在2.86～12.2 MPa，可以看出優(yōu)化后兩幫的承載性能比優(yōu)化前有了一定幅度的增強。

圖2 巷道支護優(yōu)化前后垂直應(yīng)力（Pa）云圖

為了進一步驗證優(yōu)化后支護方案的可行性，對現(xiàn)場進行礦壓監(jiān)測，分別選擇MJ40 錨桿測力劑和LBY-3 頂板離層監(jiān)測儀對巷道的應(yīng)力及離層情況進行實時監(jiān)測。分別在巷道兩幫及巷道頂板錨桿裸露部分安裝測力劑。在巷道每隔50 m 的范圍內(nèi)布置一個頂板離層監(jiān)測儀。當離層儀測得頂板的離層高度大于60 mm 時，需要及時疏通工作人員進行維護。同時在巷道斷面布置位移監(jiān)測儀，分別布置在巷道斷面中點位置，用于監(jiān)測巷道頂板、底板及兩幫的位移變化量。離層監(jiān)測儀布置及巷道位移監(jiān)測儀布置如下頁圖3 所示。

對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，巷道頂板位移量為59.4 mm，巷道底板位移量為21.14 mm，巷道左右兩幫位移量分別為37.68 mm 和37.96 mm，巷道兩幫的移近量為75.64 mm。巷道頂板錨索測得應(yīng)力分別為129.68 kN 和135.01 kN，巷道頂板錨桿測得應(yīng)力分別為193.48 MPa、198.12 MPa 和203.86 MPa，兩幫中部錨桿測得的最大應(yīng)力分別為270.01 MPa 和274.4 MPa，上下幫錨桿手受到的最大應(yīng)力分別為221.6 MPa 和195.12 MPa。頂板底板及兩幫的塑性區(qū)范圍分別為2.0 m、0.3 m 和1.9 m。

圖3 巷道圍巖變形及離層監(jiān)測圖（單位：mm）

3 結(jié)論

經(jīng)過實測得出，支護方案優(yōu)化后，特厚煤層軟巖的圍巖變形得到了較為有效的控制，符合礦山開采的質(zhì)量標準，錨桿錨索的承載應(yīng)力滿足安全要求，且優(yōu)化后的支護方案滿足巷道的變形要求。

（編輯：趙婧）