關(guān)嶺山煤業(yè)3號煤層30104切眼支護(hù)設(shè)計(jì)研究

和智敏

(山西陵川崇安關(guān)嶺山煤業(yè)有限公司，山西 陵川 048300)

國內(nèi)外學(xué)者在巷道支護(hù)領(lǐng)域研究、提出了多種支護(hù)理論并得到了較好的推廣和應(yīng)用，但由于我國煤礦地質(zhì)條件的復(fù)雜性，這些理論與實(shí)踐往往出現(xiàn)一定的偏差或應(yīng)用不合理，如生搬硬套理論，會造成巷道頂板跨落、冒頂，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。此外，從已有巷道支護(hù)理論、技術(shù)研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖支護(hù)理論和技術(shù)內(nèi)容不斷豐富和發(fā)展著，但其應(yīng)用于開采殘留煤炭資源時(shí)，因不同情況下復(fù)采采場情況的不同，復(fù)采工作面圍巖的控制還存有一定問題和不足，主要有：

1) 各種支護(hù)理論對煤礦破壞區(qū)復(fù)采工作面巷道頂板的復(fù)雜賦存情況都考慮較少，對于復(fù)雜的頂板，缺少合理的支護(hù)方案；

2) 關(guān)于復(fù)采工作面巷道圍巖破壞情況的理論還比較少，加上工程實(shí)踐較少，導(dǎo)致了使用常規(guī)的支護(hù)方式，支護(hù)效果得不到合理評價(jià)。

1 工程概況

關(guān)嶺山煤業(yè)3號煤層厚度為4.35～4.65 m，煤厚穩(wěn)定，全區(qū)可采。下距15號煤層105.82～109.12 m，平均約107.47 m。3號煤直接頂板為灰黑色泥巖，基本頂為砂巖，底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖。

30104工作面切眼位于實(shí)體煤中時(shí)，采用矩形斷面，斷面尺寸為6 700 mm×2 600 mm。直接頂板為灰黑色泥巖，基本頂為砂巖，底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖。

2 巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)測定

基于關(guān)嶺山煤業(yè)3號煤及其頂、底板巖石情況，在實(shí)驗(yàn)室中制取巖石試樣并進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)(包含抗拉試驗(yàn)、抗剪試驗(yàn)、抗壓試驗(yàn))，根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)測定數(shù)據(jù)換算出容重、抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度(天然)、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和泊松比等物理力學(xué)參數(shù)[1]，為確定頂?shù)装搴兔簩淤x存特性以及數(shù)值計(jì)算提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為確定3號煤回采巷道的支護(hù)參數(shù)奠定基礎(chǔ)。

2.1 巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

在井下3號煤掘進(jìn)工作面進(jìn)行現(xiàn)場取樣，得到3號煤層、頂板泥巖、頂板砂巖及底板泥巖的樣本，加工為符合試驗(yàn)儀器規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)試件并編號區(qū)分，按照試驗(yàn)要求進(jìn)行抗拉試驗(yàn)、抗壓試驗(yàn)和抗剪試驗(yàn)，并做好記錄。試驗(yàn)過程見圖1。

圖1 煤層及頂?shù)装鍘r石力學(xué)試驗(yàn)過程

根據(jù)試驗(yàn)所得強(qiáng)度數(shù)據(jù)分別計(jì)算出3號煤層及頂?shù)装鍘r石的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

2.2 3號煤巷道地質(zhì)力學(xué)評估

由于3號煤層為近水平煤層，埋深為50～150 m，且井田范圍內(nèi)無區(qū)域性大斷層，由此可知3號煤層地應(yīng)力條件簡單，垂直地應(yīng)力煤層最大埋深計(jì)算σv=3.825 MPa，按水平地應(yīng)力σh=1.2σv考慮，σh=4.59 MPa。

表1 3號煤層及頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)參數(shù)

3 3號煤切眼基本情況

切眼設(shè)計(jì)為矩形斷面，支護(hù)方式設(shè)計(jì)為錨網(wǎng)索支護(hù)[2]；層位：沿3號煤層底板掘進(jìn)；斷面形式：矩形；毛斷面尺寸：寬×高=6 700 mm×2 800 mm；基本支護(hù)方式：錨桿+錨索+金屬網(wǎng)。無表面封閉方式。

4 數(shù)值模擬模型及模擬方案

4.1 數(shù)值模擬模型的建立

本次數(shù)值模擬采用FLAC-3D仿真計(jì)算軟件。為了提高模擬計(jì)算的效率和精度，三維建模按照自頂向下的設(shè)計(jì)方式，以巷道為建模原型創(chuàng)建總體模型，然后依次創(chuàng)建子模型，通過總體模型的輸出自動(dòng)為子模型施加邊界條件；煤、巖層的網(wǎng)格劃分采用八節(jié)點(diǎn)等參單元?jiǎng)澐?，工字鋼的網(wǎng)格劃分采用梁單元?jiǎng)澐?；?jì)算出工作面切眼開挖之前的原始地應(yīng)力作為模擬開挖時(shí)的初始載荷施加于模型[3]。

本次數(shù)值模擬是在3號煤層地質(zhì)力學(xué)條件的基礎(chǔ)上，研究工作面切眼錨網(wǎng)索支護(hù)效果。

結(jié)合工作面的實(shí)際開采條件，按照建模要求將模型尺寸設(shè)置為：長×寬×高=250 m×100 m×79.8 m。模型底部設(shè)為固定邊界，4個(gè)側(cè)面設(shè)為水平固定邊界，劃分網(wǎng)格共計(jì)209 760個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)224 910個(gè)。仿真模擬3號煤層環(huán)境：煤厚取平均值4.5 m，埋深取最大值150 m，所受上覆基巖壓力以均布載荷方式加載于模型的上邊界。巷道的三維數(shù)值模型見圖2，模型邊界條件示意圖見圖3。

4.2 數(shù)值模擬方案及過程

1) 模擬方案。本次3號煤層切眼位于實(shí)體煤中時(shí)，采用矩形斷面，斷面尺寸為6 700 mm×2 600 mm。

開切眼實(shí)體煤掘進(jìn)段采用錨網(wǎng)支護(hù)；頂板及兩幫錨桿：采用D20 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；頂板采用D17.8 mm×7 300 mm的錨索，頂板及非工作面幫配合菱形金屬網(wǎng)，工作面配合塑料網(wǎng)支護(hù)。

2) 模擬過程。在已經(jīng)賦值平衡模型的基礎(chǔ)上開挖30104工作面切眼并按設(shè)計(jì)方案對巷道進(jìn)行支護(hù)。

圖2 巷道數(shù)值分析三維模型

圖3 模型邊界條件示意

5 數(shù)值模擬結(jié)果

錨網(wǎng)支護(hù)切眼模擬效果見圖4。由圖可知，采用錨網(wǎng)支護(hù)的切眼，圍巖的塑性破壞范圍較小，破壞深度也較小，頂板及兩幫只有部分區(qū)域發(fā)生破壞，破壞深度為0.5 m左右；圍巖垂直應(yīng)力在巷道兩幫形成支承壓力升高區(qū)，圍巖垂直應(yīng)力在巷道頂?shù)装鍎t形成應(yīng)力降低區(qū)，巷道兩幫出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)，其應(yīng)力峰值為3.73 MPa，其應(yīng)力集中系數(shù)為1.22；從圍巖水平位移分布可以看出，采用錨網(wǎng)支護(hù)后，巷道頂?shù)装宓囊平繛?.68 mm，兩幫移近量為1.62 mm。由分析可知，采用錨網(wǎng)支護(hù)后，切眼處圍巖穩(wěn)定性較好。

6 基于數(shù)值模擬的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

6.1 頂板支護(hù)

頂板采用錨網(wǎng)支護(hù)，其中：

頂板錨桿桿體采用直徑20 mm、長度2 400 mm的螺紋鋼，螺紋鋼屈服強(qiáng)度335 MPa、抗拉強(qiáng)度490 MPa、延伸率18%、屈服載荷105.2 kN，配套高強(qiáng)度錨桿螺母以及方形帶拱錨桿托盤，間排距800 mm×800 mm，預(yù)緊扭矩200 N·m，錨固劑采用K2335和Z2360各1支。

頂板錨索采用直徑17.8 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，拉斷載荷353 kN，錨索長度7 300 mm，配套方形帶拱常規(guī)錨索托盤，間排距1 600 mm×1 600 mm，張拉后預(yù)緊力≥200 kN，錨固劑采用1支Z2335，2支CK2360。

網(wǎng)片規(guī)格：采用800 mm×3 900 mm礦用金屬菱形網(wǎng)。

圖4 錨網(wǎng)支護(hù)切眼模擬效果

6.2 兩幫采用錨網(wǎng)支護(hù)

1) 非回采幫錨桿桿體采用直徑20 mm、長度2 000 mm的螺紋鋼，螺紋鋼屈服強(qiáng)度335 MPa、抗拉強(qiáng)度490 MPa、延伸率18%、屈服載荷105.2 kN，配套高強(qiáng)度錨桿螺母以及方形帶拱錨桿托盤，間排距800 mm×800 mm，預(yù)緊扭矩200 N·m，錨固劑采用K2335和Z2360各1支。

2) 回采幫錨桿桿體采用直徑22 mm、長度2 400 mm的玻璃鋼錨桿，配套高強(qiáng)度錨桿螺母以及方形帶拱錨桿托盤，間排距800 mm×800 mm，預(yù)緊扭矩40 N·m，錨固劑采用K2335和Z2360各1支。

3) 非回采幫采用800 mm×3 900 mm的礦用金屬菱形網(wǎng)，回采幫采用800 mm×3 900 mm的塑料網(wǎng)。

7 結(jié) 語

1) 3號煤30104切眼采用錨網(wǎng)支護(hù)，圍巖的塑性破壞范圍較小，破壞深度也較小，切眼頂板及回采、非回采兩幫破壞區(qū)域范圍較小，圍巖破壞深度最大值0.5 m；

2) 3號煤采用錨網(wǎng)支護(hù)的切眼圍巖垂直應(yīng)力在巷道兩幫形成支承壓力升高區(qū)，3號煤采用錨網(wǎng)支護(hù)的切眼圍巖垂直應(yīng)力在巷道頂板、底板形成應(yīng)力降低區(qū)；導(dǎo)致30104切眼回采幫和非回采幫出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)，其應(yīng)力峰值為3.73 MPa，其應(yīng)力集中系數(shù)為1.22；

3) 從30104切眼圍巖位移量分布可以看出，按照設(shè)計(jì)的錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)后，30104切眼頂?shù)装宓囊平繛?.68 mm，3014切眼兩幫移近量為1.62 mm，切眼圍巖變形較小，滿足支護(hù)要求。