李海強

（山西華約生態(tài)修復(fù)股份有限公司，山西 晉城 048000）

煤礦開采過程中，工作面兩側(cè)的回采巷道直接服務(wù)于采煤工作面，回采巷道面臨著復(fù)雜的地質(zhì)條件，受到工作面劇烈的采動影響，導(dǎo)致大量回采巷道支護困難，易出現(xiàn)巷道斷面收縮、支護體失效的問題，將耗費大量的人力和支護材料進行返修，對于礦井的安全高效生產(chǎn)非常不利。為了保證巷道的正常使用和安全，以龍頂山煤業(yè)15#煤1501首采工作面運輸順槽為工程背景，在理論研究基礎(chǔ)上給出其初步支護方案，通過FLAC3D數(shù)值模擬優(yōu)化具體參數(shù)，并對支護方案的應(yīng)用效果進行現(xiàn)場監(jiān)測和分析，為巷道支護提供借鑒。

1 工程概況

山西高平科興龍頂山煤業(yè)有限公司井田位于太行山南段西側(cè)，沁水盆地東南部，開拓方式為斜立井混合開拓，一個主斜井和兩個立井（主斜井、副立井、回風(fēng)立井）。礦井現(xiàn)開采15#煤層，礦井通風(fēng)方式為中央并列式，采煤方法為長壁綜采一次采全高，全部垮落法管理采空區(qū)頂板。四采區(qū)煤層厚度變化不大，煤層頂板為泥巖，底板為泥巖。15#煤層位于太原組一段頂部，K2石灰?guī)r之下，上距9號煤層平均34.42m。煤層厚度2.40～4.78m，平均3.68m。煤層結(jié)構(gòu)簡單-中等，一般含0～2層夾矸，為全井田穩(wěn)定可采煤層。

2 支護方案初步設(shè)計

15#煤層直接頂泥巖單軸抗壓強度為22.56MPa，為軟弱～半堅硬性巖層；基本頂粉砂巖單軸抗壓強度為55.7MPa，屬半堅硬巖層；底板泥巖單軸抗壓強度為37.99MPa，為半堅硬巖層。采用普氏圍巖分類法計算得出[1]，15#煤層頂板為中硬型，底板為硬型，巷道圍巖易出現(xiàn)的破壞情況為頂板下沉冒落。據(jù)此可知，1501運輸順槽頂板巖層的錨桿支護應(yīng)采用擠壓加固理論。

巷道頂板錨桿對于頂板巖層擠壓加固的效果如圖1（a）所示。對于軟弱、節(jié)理裂隙發(fā)育型頂板，錨桿通過施加預(yù)緊力給頂板提供正壓力，限制頂板巖層內(nèi)裂隙的進一步發(fā)育，并使淺部的軟弱巖層形成具有一定自穩(wěn)能力和強度的梁結(jié)構(gòu)，能夠承受更大的上覆巖層的載荷。

圖1 1501運輸順槽圍巖加固理論

1501運輸順槽設(shè)計寬度L=4.5m，高度為2.9m，頂板為0.8m厚的煤和3.1m的泥巖，平均埋深為280m，上覆巖層的平均容重為25kN/m3，則頂板淺部巖層形成的加固梁上的載荷q=γH=7MPa，將巷道頂板視為簡支梁，則頂板中部彎矩為：

錨桿支護作用下頂板巖層中最大應(yīng)力為：

根據(jù)實驗室?guī)r石力學(xué)試驗獲知，1501運輸順槽頂板泥巖的抗拉強度σ=1.0MPa，由此計算可得巷道頂板中部不發(fā)育拉伸破壞的臨界加固厚度為：

將1501運輸順槽詳細的參數(shù)代入式（3）計算，h=3.8m，梁的寬度b=1m，若要將頂板巖層擠壓加固為足以承受地應(yīng)力的梁，錨桿長度至少需要大于3.25m，而目前井下巷硐圍巖的支護所用的錨桿長度一般不大于2.5m，因此必須通過錨索進行補強支護。

假設(shè)頂板錨桿長度為L，錨桿間排距為b，則頂板錨桿形成的加固梁最大厚度：

此時，頂板支護每排需要錨索的數(shù)量N[2]應(yīng)：

其中：

K-安全系數(shù)；

P斷-錨索拉斷所需力，kN；

W-錨索需要懸吊的巖石重量，kN。

1501運輸順槽頂板支護采用直徑為17.8mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索破斷力為355kN，錨索需要懸吊的巖層重量為284kN，安全系數(shù)取2，帶入式（5）可得N≥1.6，因此頂板支護每排至少兩根錨桿。綜上分析，初步確定1501運輸順槽采用錨桿錨索聯(lián)合支護方式，頂板每排兩根錨索。

3 錨桿錨索聯(lián)合支護作用數(shù)值分析

為合理確定1501運輸順槽錨桿錨索聯(lián)合支護的間排距、預(yù)緊力等相關(guān)參數(shù)，結(jié)合15#煤層具體的地質(zhì)條件，采用FLAC3D模擬軟件[3-4]建立錨桿錨索聯(lián)合支護的數(shù)值模型。巷道埋深約280m，矩形斷面寬×高=4500×2900mm，建立模型的尺寸（長×寬×高）為40×4×40m，煤層及頂?shù)装暹x用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型。模型邊界條件：模型前后左右邊界水平位移受到約束，底面邊界為固定邊界，上部邊界施加垂直方向的均布載荷為7.0MPa。模型的詳細情況如圖2所示。

圖2 三維數(shù)值模型

3.1 錨桿參數(shù)模擬分析

為確定1501運輸順槽錨桿錨索的最佳間排距，采用圖2 所示的模型，在不同的支護參數(shù)下模擬1501運輸順槽的開挖，分別設(shè)計錨桿間排距為0.7m、0.8m、0.9m三種模擬方案。為分析頂角錨桿安裝角度對于圍巖控制效果的影響，頂角錨桿的角度分為向外傾斜30°和垂直頂板兩種情況，每間隔兩排錨桿施工一排錨索，每排兩個，最終得到不同支護條件下頂板下沉量和頂板垂直應(yīng)力的變化情況，如圖3所示。由圖3所示結(jié)果可知，隨著錨桿間排距的增大，頂板的下沉量和垂直應(yīng)力均逐漸增大。其中，間排距由0.7m增大到0.8m，頂板下沉量和垂直應(yīng)力增大不明顯，間排距繼續(xù)增大至0.9m，其頂板下沉量和垂直應(yīng)力明顯增大。由此可知，錨桿間排距設(shè)計為0.8m較合理；頂角錨桿傾斜布置條件下，頂板下沉量和垂直應(yīng)力明顯大于頂角錨桿垂直布置，因此設(shè)計頂板錨桿垂直安裝。

3.2 錨桿錨索預(yù)緊力模擬分析

為合理確定錨桿錨索安裝時的預(yù)緊力，模擬錨桿間排距為800×800mm，錨索間排距為1900×3000mm，錨桿預(yù)緊力分別為40kN、60kN、80kN，錨索預(yù)緊力分別為100kN、200kN、300kN，采用正交實驗法進行組合分析，最終得到圖4所示的結(jié)果。由圖4（a）所示結(jié)果可知，錨桿預(yù)緊力不變的情況下，頂板最大位移量和垂直應(yīng)力隨錨索預(yù)應(yīng)力值的增大而減小，錨索預(yù)應(yīng)力由100kN增大至200kN，錨桿預(yù)應(yīng)力由40kN增大至60kN，頂板下沉量和垂直應(yīng)力的減小最為明顯。由此可知設(shè)計錨桿的預(yù)緊力設(shè)定為60kN左右，錨索預(yù)緊力為200kN左右最為合理。

圖3 不同錨桿間排距條件下巷道頂板應(yīng)力和位移變化圖

圖4 錨桿錨索預(yù)緊力分析

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

結(jié)合以上研究成果，最終設(shè)計1501運輸順槽支護詳情如圖5所示。頂板和煤柱幫錨桿采用規(guī)格為Ф20×2200mm的螺紋鋼，工作面?zhèn)让罕诓捎莽?0×2200mm的螺紋鋼錨桿，錨索采用規(guī)格為Ф17.8×8400mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線。頂板錨桿間排距800×800mm，兩幫錨桿為便于施工錨桿間排距設(shè)計為750×800mm，頂板錨索間排距1900×3000mm。錨桿預(yù)緊力為60kN，錨索預(yù)緊力為200kN。錨桿錨索均垂直巖壁安裝。

圖5 1501運輸順槽支護詳情

1501運輸順槽采用錨桿錨索聯(lián)合支護掘進過程中，進行為期70d的礦壓觀測，頂板最大下沉量約為16.5mm，兩幫移近量最大約為15mm，頂板離層量為零，支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，巷道安全可靠。總體來說，采取錨桿錨索聯(lián)合支護方式的圍巖控制效果良好。

5 結(jié)論

根據(jù)龍頂山煤礦15#煤層詳細的地質(zhì)條件，利用普氏堅固性系數(shù)對1501運輸順槽的圍巖完整性程度進行評價。結(jié)果表明其圍巖為中硬型圍巖，采用擠壓加固拱理論初步確定1501運輸順槽采用錨桿錨索聯(lián)合支護方式。FLAC3D數(shù)值模擬研究得知，錨桿的合理間排距為800×800mm，頂角錨桿垂直頂板安裝，錨桿預(yù)緊力為60kN左右，錨索預(yù)緊力為200kN?，F(xiàn)場應(yīng)用期間礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，錨桿錨索聯(lián)合支護技術(shù)能夠有效地控制1501運輸順槽的圍巖變形。