南陽煤礦回采巷道支護方案優(yōu)化設計

侯晉剛， 劉永廣

（1.太原理工大學，山西 太原 030024；2.山西高平科興南陽煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

引言

煤礦安全一直是煤礦生產(chǎn)的重要保證，煤礦安全往往受到各種各樣的因素的影響。煤礦安全的重要保障來自安全的支護技術，復雜的地質(zhì)環(huán)境給礦井支護帶來巨大的困難。我國煤礦的分布地形較為復雜，所以必須為礦井設計不同的支護方案，這對煤礦安全具有重要意義［1］。本支護方案主要以南陽煤礦3號煤層的3202第二回風巷為對象進行優(yōu)化設計，3號煤層賦存于山西組下部，煤層厚度4.11～6.00m，平均5.25m，該煤層屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層一般含0～1層夾矸，夾矸厚度0.02～0.50m，巖性多為炭質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)簡單。該煤層頂板為細砂巖、粉砂巖、泥巖，底板為細砂巖、粉砂巖、泥巖。煤層傾角1°～7°。頂板分為基本頂、直接頂、偽頂?；卷攷r石類型為中粒砂巖，厚度為8m，巖性以石英為主，長石次之，并含黑色礦物層面，含大量云母碎片及炭質(zhì)碎屑，明顯斜層理；直接頂巖石類型為粗粉砂巖，厚度約為2m，巖性深灰色，較堅硬，富含植物化石及大量云母碎片，并夾菱鐵礦結(jié)核；偽頂巖石類型為泥巖，厚度為0.1～0.3m，巖性為黑色，水平層理十分發(fā)育，較軟，易冒落。底板分為基本底、直接底?；镜讕r石類型為粗粒砂巖，厚度約為2m，巖性為致密富含植物莖化石和云母碎片，炭質(zhì)碎屑底部具有波狀層理；直接底巖石類型為細粉砂巖，厚度約為5m，巖性為薄層及微薄層狀，不連續(xù)的緩波狀層理層面有較多炭質(zhì)碎屑及植物化石。

1 錨桿支護理論

1.1 組合梁理論

巷道的安全受到各個方向應力的影響，不同煤礦的巷道，甚至是同一煤礦的不同巷道的底板、頂板由不同的巖石組成。巷道的頂板有的是由層狀的巖石構(gòu)成，此巷道在還沒有進行支護的情況下，如果頂板向下沉降，同時還伴有各層脫離，巷道會有垂直于層面的位移和平行于層面的位移，并且每個分層中會分別出現(xiàn)受壓縮力形成的壓縮區(qū)域和受拉伸力形成的拉伸區(qū)域。若使用錨桿穿透各個巖層，使各巖層緊湊擠壓，會在它們之間產(chǎn)生較大的層間摩擦力，這樣的力可以防止各層間的移動，這樣一來會形成一個合成梁，該合成梁會有更強的抗壓力、抗剪力，會使支護更加穩(wěn)固。合成度越高，整體性就會越強。這就是錨桿支護理論中經(jīng)典的組合梁支護［2］。

1.2 組合拱（壓縮拱）理論

通常情況下，錨固噴漿支護（簡稱錨噴支護）會起到多種支護作用。但是，當巷道處于軟巖的地質(zhì)中時，錨噴支護的作用是使巷道頂板形成一個組合拱結(jié)構(gòu)體［3］。而對于這種結(jié)構(gòu)體，錨桿是主要的組成部分，由其組成組合拱結(jié)構(gòu)體；同時，噴灑砼層、鋪設金屬網(wǎng)是這種組合拱結(jié)構(gòu)體必要的輔助措施，它們的輔助作用主要是防止錨桿之間的比較碎小的巖石不被推擠出、松垮、脫落，從而保證這種組合拱的整體性。這種組合拱具備若干性質(zhì)，其中比較重要的有兩個：其一，組合拱結(jié)構(gòu)體（組合拱）內(nèi)部的巖石強度與沒被破壞時候的強度很相似；其二，組合拱結(jié)構(gòu)體的可壓縮性比較大。

一些試驗已經(jīng)表明，如果在比較碎小的巖石中安裝錨桿，同時使錨桿具有預應力，也會產(chǎn)生一定承載作用，在保證錨桿間距相當小的情況下，一種均勻的壓縮帶會在對應的巖體中形成，這種壓縮帶可以保證給予上方未錨固破裂的碎石相應的承受力，阻止碎石下落，這種支護理論叫組合拱支護理論［4－6］。

錨桿支護理論除了上面兩種還有“剛性梁”理論、圍巖松動圈支護理論、圍巖強度強化理論、最大水平應力理論、懸吊理論等。

2 Flac3D數(shù)值模擬分析

FLAC是“Fast Lagrangian Analysis of Continua”的簡稱，也就是快速拉格朗日差分分析［7］，這個程序起初在固體力學中應用，在眾多的巖體力學計算方法中，此軟件已經(jīng)是重要的方法之一了。Flac3D是一種三維的建模計算模擬程序，有限差分理論作為基礎，為多種工程進行三維建模，尤其在煤礦巷道支護工程中，可以提供更加科學的理論支持。所以，此軟件已經(jīng)在煤礦巷道支護相關理論模擬計算中廣泛應用［8］。

3 現(xiàn)有支護狀況分析

本掘進面位于3201回風順槽南側(cè)，相距245.1m（凈煤柱），與3201回風順槽平行，巷道設計長度1 900m，方位角270°，矩形斷面，寬為3.8m，高為2.8m，采用樹脂加長錨固，錨網(wǎng)組合支護并錨索補強。巷道沿3號煤煤層頂板掘進，開口于二采區(qū)回風巷461m處西幫?；局ёo方式：巷道頂板采用鋼筋托梁、錨桿、錨索、鋼塑網(wǎng)進行支護。兩幫均采用錨桿、鋼筋托梁、鋼塑網(wǎng)進行支護。原始支護參數(shù)設計如圖1所示：頂錨桿選用Φ22－M24－2500左旋無縱筋專用螺紋鋼錨桿，間距1 100mm，排距1 000mm，一排4根，頂板兩側(cè)錨桿垂直傾斜30°；幫錨桿選用Φ22－M24－2500左旋無縱筋專用螺紋鋼錨桿，間距1 200mm，排距1 000mm，一排六根，兩幫兩根頂角錨桿水平傾斜10°；錨索均采用Φ22－6300高強度低松馳鋼絞線，沿巷中布置一排，錨索排距為3 000mm，一排一根。圖1為原始支護巷道斷面圖。

圖1 原始支護巷道斷面（mm）

目前，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況及圖2、下頁圖3所體現(xiàn)的原始支護情況，可以得出南陽煤礦3號煤層的3202第二回風巷的支護尚存有不足之處，巷道部分出現(xiàn)一定程度的底臌現(xiàn)象，頂板、兩幫、地板的破壞區(qū)還比較大，頂板、兩幫的錨桿支護角度有待改善。

圖2 在Flac3D中的原始支護圖

該巷道目前的支護方式和參數(shù)，還不能充分達到更加穩(wěn)定和有效的支護，在有效控制巷道圍巖變形和破壞方面還有一些優(yōu)化改進的空間，建議采用更加有效的支護方式和參數(shù)，解決當前存在的問題，因地制宜的選擇支護方式和支護參數(shù)，以消除目前巷道支護中存在的安全隱患。

圖3 原始支護效果圖

4 優(yōu)化支護設計

針對原始支護中存在的缺點制定出了優(yōu)化支護設計方案?；局ёo方式：錨索＋錨桿＋網(wǎng)＋鋼帶。優(yōu)化支護參數(shù)：頂錨桿選用Φ22－M24－2500左旋無縱筋專用螺紋鋼錨桿，具體參數(shù)如圖4所示：間距1 100mm，排距1 000mm，一排4根，頂板兩側(cè)錨桿垂直傾斜15°；幫錨桿選用Φ22－M24－2500左旋無縱筋專用螺紋鋼錨桿，間距1 200mm，排距1 000mm，一排六根，兩幫底角兩根錨桿水平傾斜15°；錨索均采用Φ22－6300高強度低松馳鋼絞線，沿巷中布置一排，錨索排距為3 000mm，一排一根。圖4為優(yōu)化支護巷道斷面圖。

圖4 優(yōu)化支護巷道斷面圖（mm）

當圖2中的原始支護變?yōu)閳D5的優(yōu)化支護后，優(yōu)化支護效果（如圖6）相對于原始支護效果（如圖3）破壞區(qū)域減小，支護效果得到了改善。

5 結(jié)語

針對南陽煤礦所提出的優(yōu)化支護方案，突破點主要是運用了底腳錨桿，就是底腳兩根錨桿有一定的傾斜，這樣可以在一定程度上減輕底臌的危害程度。經(jīng)過原始支護與優(yōu)化支護的對比，可以看出本優(yōu)化方案具有一定的可行性。

圖5 在Flac3D中的優(yōu)化支護圖

圖6 優(yōu)化支護效果圖

［1］鄧小賓.煤礦掘進支護問題及應對方法［J］.機械管理開發(fā)，2015（1）：108－110.

［2］徐恩虎，朱昌星.錨桿支護組合梁方法的改進及其應用［J］.礦山壓力與頂板管理，2001（4）：26－27.

［3］李長文，周景林.組合拱支護理論在軟巖巷道錨噴設計中應用［J］.遼寧工程技術大學學報，2004（5）：594－596.

［4］Lang.T.A.Theory and practice of rock bolting［J］.Trans.AIME.Society of Mining Engineers，1961（220）：333－348.

［5］譚學術.復合巖體力學理論及其應用［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1994.

［6］朱維申，何滿潮.復雜條件下圍巖穩(wěn)定性與巖體動態(tài)施工力學［M］.北京：科學出版社，1996.

［7］彭文斌.FLAC 3D實用教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［8］郭力，趙靜.FLAC3D在巷道支護中的模擬分析［J］.山西焦煤科技，2011（3）：20－22.