庄子河煤业坚硬顶板条件下支护参数优化研究

2022-10-09李庆

煤 2022年10期

李庆

(山西焦煤山煤国际庄子河煤业，山西长治 046000)

随着煤矿井下工作面综合机械化的发展，工作面采煤的效率及速度逐步提升，而巷道掘进技术及设备发展相对落后，导致了巷道掘进速度较低，进而引起了矿井采掘接替紧张的问题[1-3]。为此，众多学者对巷道的快速掘进技术及其影响因素进行了大量的研究，康红普等[4]通过实地观测得出，制约巷道掘进效率的因素主要为掘进工序复杂且相互配合较差；肖同强等[5]指出，适当加大掘进循环进尺可以提高掘进及支护效率；王步康[6]通过分析巷道赋存条件与掘进设备、工艺间的关系，提出掘进及支护的平行作业是实现巷道快速掘进的主要途径。本文在前人的研究基础上，采用理论分析及数值模拟相结合的方法，对庄子河煤业坚硬顶板条件下的巷道支护参数进行优化，为巷道快速掘进提供技术支持。

1 工程概况

庄子河煤业15106工作面位于+1 000 m水平一采区，主采15号煤层。15号煤层位于太原组下部，煤层倾角0～3°，平均厚度3.5 m，煤层结构简单，上部和下部常含两层夹矸，煤体内生裂隙发育，层状构造，普氏系数为1.4，埋深118～132 m.工作面煤层顶底板情况如表1所示。

表1 煤层顶底板结构

15106工作面运输巷沿煤层顶板掘进，设计断面为矩形，净宽5.0 m，净高3.8 m，净断面积20.9 m2，设计工程量为443.5 m.由表1可知，巷道顶板为石灰岩，强度及硬度较高，且厚度达6.8 m，属于典型的厚层坚硬顶板。15106运输巷在掘进时顶板完成性好，但由于岩性坚硬，支护施工较困难，且原支护参数不合理，导致巷道的掘进效率较低，严重影响了矿井的采掘接续。因此，需开展巷道支护参数的优化研究，以提高掘进效率，实现快速掘进。

2 合理支护参数数值模拟分析

2.1 建立模型

依据15106工作面运输巷的实际赋存条件，采用FLAC3D数值模拟软件建立模型，模型尺寸为：长×宽×高=40 m×10 m×40 m，根据工作面埋深，在模型顶部施加5.5 MPa的垂直应力以模拟覆岩压力，通过位移边界条件对模型四周和底部进行约束。计算时，煤岩体的破坏准则统一采用Mohr-Coulomb本构模型，煤岩体的物理力学参数按表2进行赋参。巷道宽×高=5.0 m×3.8 m，沿15号煤层顶板掘进。

表2 煤岩体物理力学参数

2.2 合理锚杆长度分析

为分析不同锚杆长度下的围岩控制效果，采用数值模拟设置了3种对照试验模型，锚杆长度分别为2.2 m、2.5 m及2.8 m，为了消除其他因素对模拟结果的影响，将顶锚杆间距统一设置为900 mm，排距统一为1 000 mm；帮锚杆的间距统一设置为1 100 mm，排距统一为1 000 mm.顶板每排均为6根顶锚杆，两帮每排各4根帮锚杆。

图1为不同锚杆长度下的水平应力分布特征，由图可知，随着锚杆长度的增加，巷道围岩的水平应力集中程度逐渐减小，巷道顶板及两帮的水平应力值也明显减小，表明锚杆长度的增加减小了围岩卸载对巷道的扰动影响。锚杆长度为2.2 m时，巷道最大水平应力值为-30 MPa，锚杆长度增加至2.8 m时，巷道最大水平应力值降低至-22 MPa.

图1 不同锚杆长度下的水平应力分布特征

图2为不同锚杆长度下的巷道围岩塑性区分布特征，由图可知，巷道周围主要以剪切破坏为主，且随着锚杆长度的增加，围岩塑性区范围大幅度缩小，表明增加锚杆长度可以有效缩小围岩的破坏范围。

图2 不同锚杆长度下的塑性区分布特征

图3为不同锚杆长度下的巷道围岩的水平位移云图，由图可知，巷道的水平位移主要表现为两帮的变形；锚杆长度为2.2 m时的最大水平位移量为400 mm；锚杆长度为2.8 m时的最大水平位移量为280 mm，较2.2 m锚杆长度下降低了120 mm.

图3 不同锚杆长度下的水平位移云图

综上分析可知，锚杆长度的增加可以有效提高围岩的承载能力，降低围岩的破坏范围，对巷道的稳定性有着积极的影响。

3 工程实践及效果分析

3.1 巷道支护方案设计

根据理论计算及数值模拟结果，结合15106运输巷实际赋存条件，对支护参数进行优化设计。具体支护断面如图4所示。

图4 巷道支护断面图(mm)

顶锚杆采用螺纹钢树脂锚杆进行支护，锚杆长度为2 800 mm，直径22 mm，呈矩形布置，间排距为900 mm×1 000 mm，每排6根，靠巷帮侧250 mm处开始布置，锚固长度为1 200 mm，采用2支树脂锚固剂锚固，保证锚杆预紧力不低于80 kN，预紧力矩不小于200 N·m.锚杆均垂直顶板施工。为探测顶板岩性，每隔10 m在顶板中线施工1根锚索，锚索长度为6 300 mm，直径为17.8 mm.

巷道两帮支护的锚杆长度为2 000 mm，直径22 mm，锚杆间排距为1 100 mm×1 000 mm，每排4根，起锚高度为250 mm，锚杆锚固长度为1 200 mm，锚杆锚固采用2支树脂锚固剂，要求锚杆预紧力矩不小于100 N·m.靠近顶底板的锚杆施工角度与水平呈30°，其余锚杆施工角度均与巷帮垂直。

3.2 应用效果分析

1) 围岩控制效果分析。为分析支护优化方案对围岩的控制效果，在15106运输巷内布置测站，监测巷道围岩的位移变化情况，监测结果如图5所示。

图5 巷道变形观测曲线

由监测结果可知，随着测点与掘进面距离的增加，巷道围岩位移量呈先增大后逐渐平稳的趋势，变形速度呈逐渐减小的趋势。在掘进面超过测站90 m后，测站处的围岩基本转向稳定状态。其中，顶板的累计下沉量为280 mm，两帮的累计变形量为470 mm，两帮的变形量相对较大，另外，现场施工情况表明，采用该支护优化方案后，巷道顶板及两帮未出现明显的变形情况，表明该方案的围岩控制效果良好。

2) 掘进效率分析。通过现场跟班观察，对支护方案优化前后的掘进效率进行了统计。支护方案未进行优化前，巷道采用小循环掘进，掘进循环进尺为0.8 m，每循环截割1排，每天掘进12个循环，每日掘进进尺为9.6 m；采用优化的支护方案后，巷道掘进每循环可截割3排，掘进循环进尺提升至2.4 m，每天能完成8个循环，日掘进进尺提高至19.2 m，掘进效率提升了1倍，最大日进尺超过了20.0 m.由此可知，提出的优化支护方案不仅可以有效地控制巷道围岩的稳定性，还大幅提高了巷道的掘进效率。