10-201工作面軟巖大斷面開挖方案優化及切巷支護設計

李利東，袁 遠，王 凱

(霍州煤電集團有限責任公司 木瓜煤礦，山西 呂梁 033000)

隨著煤礦開采工藝的發展以及對煤炭資源需求的增加，工作面切眼斷面尺寸也不斷增大，支護設計與施工方案的合理性是大斷面切巷施工的重要因素，也是保障安全生產的基本條件[1-2].木瓜煤礦10-201工作面地層變化復雜、直接頂圍巖強度低、錨桿錨固力不足、切巷跨度大。為此，利用數值模擬軟件確定切巷斷面開挖最佳方案，模擬此方案支護設計的有效性，為確保大跨度斷面圍巖穩定性提供技術支撐。

1 概 況

木瓜礦10-201工作面所開采煤層為石炭系上統太原組的9#+10#煤(合并層)，根據周邊南5、擴2、擴3、擴6鉆孔綜合分析，預計9#、10#煤層間距0.5～1.0 m，預計10-2012巷掘進至870～1 169 m處為9#+10#煤層合并層分界線，宏觀煤巖類型為半亮型，玻璃光澤，階梯狀斷口，中厚層狀。9#煤層厚度為3.85～4.15 m，10#煤層厚度為1.4～1.52 m，傾角2°～6°，平均4°，煤巖層賦存較穩定。煤層頂、底板巖層特征見表1.10-201工作面切巷設計高度為4.4 m，寬度為8.5 m，巷道斷面大，中部張拉應力大、頂角剪應力較大。

表1 煤層頂底板巖層特征表

2 切巷開挖斷面優選方案

針對10-201工作面切巷斷面跨度大的難題，采用巖土工程領域常用的FLAC3D軟件對斷面開挖方案進行優化[3-4].

2.1 開挖方案對比

根據工程實際開采范圍，結合工程經驗參數進行賦值[5].在計算中，各巖層均采用Mohr-Coulomb屈服準則[6].提出“一次性開挖大斷面”和“分段開挖小斷面成巷”兩種方案，進行切巷的優化施工。

使用FLAC3D軟件模擬可得無支護全斷面、無支護小斷面、注漿支護小斷面變形圖,分別見圖1，2，3.通過數值模擬計算可以發現，圖1圍巖變形區無支護全斷面開挖時變化區域較多，代表圍巖變形量較大。對比圖2可知，無支護小斷面開挖時變化區域大大減少。對比兩者塑形區，最外層代表無塑形區，中間深色區域代表重度塑形區，對比可知，小斷面開挖相較于全斷面開挖塑形區大大減少。因此，選用分段開挖小斷面成巷的方法能夠優化施工，減少安全隱患，取得更好的開挖效果。

圖1 無支護全斷面開挖變形圖

圖2 無支護小斷面開挖變形圖

2.2 支護方案對比

在分段開挖小斷面成巷施工技術上分別模擬了兩種技術方案：切巷無支護和頂板注漿+錨索支護。注漿+錨索支護下小斷面開挖變形圖見圖3，在經過施加注漿與支護條件下，頂板變形量遠遠小于無支護狀態，同時塑性區相較于未支護區也大大減小，幾乎未出現變形區域，支護方案效果極佳。

圖3 注漿和支護條件下小斷面開挖變形圖

3 切巷支護設計

切巷支護設計首先擬定在10-2011、10-2012兩條順槽巷道掘進過程中每隔30～50 m在頂板進行鉆孔窺視，掌握頂板巖層變化規律并預估切巷頂板巖層[7].再對切眼掘進斷面進行優化，先進行導洞施工，支護方式采用預注漿+長短錨索+槽鋼和鋼帶，先導洞后擴刷，邊擴刷邊安裝工藝流程。工作面示意圖見圖4.

圖4 工作面示意圖

3.1 支護參數設計

1)幫錨桿長度確定。

幫錨桿支護參數根據圍巖松動圈分類法進行計算[8]，巷道兩幫潛在松塌區寬度L1:

L1=h×tan(45-β/2)=4.1×tan(45-74.48/2)

≈0.57 m

式中：

h—巷道掘進高度，m，取毛高4.1；

β—煤層內摩擦角，(°)，β=arctanf=74.48.

錨桿長度：

L=L1+L2+L3=0.6+0.8+0.1=1.5 m

式中：

L2—幫錨桿伸出潛在松塌區的額定錨固長度，m，取0.8；

L3—幫錨桿外露長度，m，取0.1.

根據理論分析結合同類型工作面支護經驗，幫錨桿長度均取2 000 mm能夠滿足要求。

2)錨桿錨固力及間排距驗算。

錨桿的錨固力根據與錨桿屈服載荷相匹配的原則進行確定，結合錨桿錨固力不應小于被懸吊不穩定巖層的重量對間排距進行驗算[9].

Q桿=K1L桿2a桿1a桿2γ

式中：

Q桿—錨桿錨固力，kN；

K1—安全系數，一般取2～5，考慮頂板傾角影響取4；

L桿2—錨桿的有效長度，m，取1.0；

a桿1—錨桿間距，將結合錨桿實際布置方式，m，取0.92；

a桿2—錨桿排距，結合同類型工作面支護經驗，m，取0.9；

γ—易冒落巖石平均重力密度，kN/m3，取25.

代入參數，得Q桿=82.8 kN

結合同類型工作面支護參數選擇經驗，同時結合現場礦壓資料及支護經驗，確定10-201切巷左幫幫錨桿間排距1 400 mm×900 mm，右幫幫錨桿間排距1 400 mm×900 mm，錨固力均為105 kN，能滿足支護強度要求。

3)錨桿的直徑。

根據錨桿桿體承載力與錨固力等強的原則，按下式計算：

式中：

d桿—錨桿直徑，m；

σs—錨桿桿體的屈服強度，根據同類型南區左翼下組煤大巷礦壓監測情況，頂、幫錨桿均選用HBR335螺紋鋼錨桿(1 MPa=1 000 kN/m2).

經以上公式計算：

經以上計算結合錨桿規格選型，S10-201切巷頂、幫錨桿將選d22 mm的螺紋鋼高強錨桿，均可滿足支護強度要求。

4)錨索長度[10-11].

L索=L索1+L索2+L索3

式中：

L索—錨索長度，m；

L索1—錨索外露頂板長度，m，鋼板厚度0.05 m+鎖具厚度0.05 m+最大允許外露長度0.25 m，取0.35 m；

L索2—錨索的有效長度，m,不小于錨桿錨固巖層的厚度，按最嚴重冒落高度大于錨桿長度的整體冒落考慮，取2.5；

L索3—錨索的錨固長度，根據錨固力試驗得出錨固劑所需錨固長度(CKb2340及 Z2360各兩條)，m,結合理論計算，取最大值2.5.

式中：

σt—錨索抗拉強度，MPa，根據錨索檢驗報告可得1 820；

d—錨索直徑，mm，取18.9；

τc—樹脂錨固劑與錨索黏強度，MPa，取10.

把數據帶入公式可求得：L索=5.35 m

根據以上公式，結合現場實際支護經驗，考慮一定安全系數，將錨索長度確定為5.3 m、15.3 m，同時根據地質資料分析，頂板受地質條件影響，將采用長短錨索間隔布置，以滿足頂板支護要求。

5)錨索間排距計算依據。

錨索的排距按下式計算：

式中：

a索1、a索2—錨索間距、排距，m，考慮傾角影響間距取1.4；

N索—錨索承載力，kN，選用d18.9 mm的鋼絞線，查材料強度檢驗報告，取400；

K2—安全系數，一般取1～3，根據地質條件等情況，取3；

h—錨桿錨固巖層的厚度，m，取最大錨固層厚度1.0；

γ—錨桿錨固巖層平均重力密度，kN/m3，取25.

6)錨固長度驗算。

按照下式進行計算：

式中：

L—樹脂藥卷的總長度，mm,錨索充填CKb2340及 Z2360各兩條，頂錨桿充填CKb2340及 Z2360各一條，幫錨桿充填Z2360一條，頂錨索取2 000，頂錨桿取1 000，幫錨桿取600；

L0—錨桿的錨固長度，mm；

Φ0—樹脂藥卷直徑，mm，取23；

Φ1—鉆孔直徑，mm，取28；

Φ2—錨桿(索)直徑，mm，頂、幫錨桿均取20，錨索均取18.9.

頂錨索錨固長度：

L0=2 000×232/(282-18.92)=2 479 mm

幫錨桿錨固長度：

L0=600×232/(282-202)=827 mm

根據以上計算得出，頂錨索錨固長度2 478.9 mm，d20 mm的幫錨桿錨固長度827 mm.

7)錨桿(索)扭力矩推算。

根據《煤巷錨桿支護理論與成套技術》要求，一般選擇錨桿預緊力取其屈服載荷的30%～50%，錨索預緊力取其40%～70%，并根據《煤礦支護手冊》中錨桿預緊力公式反算得出錨桿扭力矩，計算公式如下：

d20 mm左旋螺紋鋼錨桿屈服載荷為105 kN，其預緊力對應在31.5～52.5 kN，經反算得出扭力矩為280 N·m時其預緊力為73.5 kN，滿足預緊力要求。

d18.9 mm預應力鋼絞線破斷載荷為400 kN，其預緊力對應在160～280 kN，將錨索預緊力確定為180 kN，可滿足強度要求。

3.2 支護設計

3.2.1導洞超前預注漿

根據斷面優化可知,導洞斷面為4 000 mm×4 400 mm，注漿材料初步設計采用水灰比為1.2∶1～1.5∶1的水泥漿，注漿孔徑42 mm，注漿鉆孔深度為15 m，超前注漿鉆孔沿切巷走向方向，與頂板呈45°角斜向向頂板注漿，注漿孔間距為1 000 mm，兩幫頂角鉆孔向外傾斜5°，鉆孔排距為1 500 mm，初步設計注漿壓力2.0～3.0 MPa，注漿孔布置設計見圖5.

圖5 導洞注漿鉆孔布置圖

3.2.2導洞支護方案

在注漿基礎上，導洞頂板支護采用長短組合錨索梁支護，工作面后方幫部支護采用螺紋鋼錨桿，工作面推進方向采用玻璃鋼錨桿，見圖6.

其中，頂板支護布置圖見圖6a)，首先在1-1剖面布置長錨索(d18.9 mm×15 300 mm)3根，中心一根，兩邊距離邊角500 m各一根，3根長錨索端部安裝14#槽鋼整體形成錨索梁，間距1 000 mm；在2-2剖面布置4根短錨索，間距1 000 mm，巷道切向采用M鋼帶；幫部采用d22 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm，切向增加M鋼帶，配合150 mm×150 mm×8 mm高強度方形帶拱托盤使用。除了槽鋼和鋼帶外，頂、幫網均采用1 100 mm×1 500 mm的鋼筋片網(長×寬)，網孔規格為80 mm×80 mm，頂網豎鋪，幫網橫鋪。

圖6 導洞支護設計圖

3.2.3刷擴區支護方案

擴刷區支護方式與導洞基本一致，由于擴刷區暴露時間短，撤去錨索梁，全部采用鋼帶，支護布置設計見圖7.

圖7 切巷支護設計圖

4 支護應用效果

項目施工完成后，為驗證支護方案的有效性，通過兩個月的監測，頂板下沉量和兩幫位移量除在施工前期出現波動外均處于穩定狀態，頂板下沉量最大值為100 mm，兩幫位移量最大值為50 mm，均在受力可控范圍內，符合工程應用要求。

5 結 論

針對10-201工作面切巷斷面跨度大的難題，采用FLAC3D數值模擬軟件確定了“分段開挖小斷面”的斷面開挖方案，確定了“預注漿+長短錨索+槽鋼和鋼帶”的支護方案，先導洞后擴刷，邊擴刷邊安裝工藝流程。經計算，幫錨桿長度、錨桿錨固力及間排距、錨桿直徑等參數均能夠滿足設計要求。該方案經過實際應用，能夠提高巷道支護強度，減小變形量，滿足工程技術要求，為類似條件下切眼支護技術提供了參考依據。