山西常村煤矿S5轨道下山支护方案优化

2018-04-12郜富平李政岱

现代矿业 2018年3期

郜富平　李政岱

(1.山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院)

对巷道进行有效支护，不仅有助于提高巷道掘进速度，而且对于确保煤矿安全开采大有裨益[1-4]。山西常村煤矿S5延伸采区轨道下山设计采用锚杆、锚索联合支护方案后，巷道矿压监测发现巷道变形量较大，锚杆、锚索的支护作用并未得到有效发挥。本研究结合该矿已建巷道的成功支护案例，对巷道支护方案进行优化，并采用FLAC3D数值模拟分析方法以及现场试验方法对优化方案的支护效果进行分析。

1　工程概况

常村煤矿S5延伸采区轨道下山主要用于S5延伸采区辅助运输，东接S5轨道下山延伸段，南邻S5延伸采区皮带下山，北邻S5延伸采区2#回风下山。巷道沿3#煤层顶板掘进，设计总长1 910.48 m，断面为矩形，宽5.3 m，高3.7 m，净断面面积为19.61 m2。根据工作面西部钻孔揭露，S5延伸采区轨道下山围岩岩性特征见表1。

2　S5轨道下山原支护方案分析

S5轨道下山设计采用锚杆、锚索联合支护方案，巷道支护断面如图1所示。

(1)顶板支护。巷道顶板采用锚杆、锚索联合支护方式，每排布置6根锚杆，间距960 mm，排距1 000 mm，长度2.4 m。锚索长度为6.3 m，采用“小五花”布置。采用3根锚索支护时，在巷道正中布置1根锚索，距离巷道正中1 450 mm左右各布置1根锚索；采用2根锚索支护时，锚索分别距离巷道正中1100mm，距离巷帮1500mm。打设方向上，最外侧2根锚杆倾斜25°打设，其余锚杆、锚索全部垂直于巷道顶板打设。此外，双钢筋托梁型φ16 mm，长5 100 mm，宽960 mm，间距120 mm(6眼)。网片规格为5 700 mm×1 100 mm，网格规格为30 mm×30 mm，材质为10#铅丝，用16#铅丝联接，双丝双扣，孔孔相联。

表1　S5延伸采区轨道下山围岩岩性特征

(2)巷帮支护。每排每帮布置4根锚杆，帮顶角锚杆距顶为300 mm，帮底角锚杆距底为400 mm，锚杆间距1 000 mm，排距1 000 mm。双钢筋托梁φ14 mm，长3 300 mm，宽1 000 mm，间距105 mm(4眼)。网片规格为3 600 mm×1 100 mm，网格规格为30 mm×30 mm，材质为10#铅丝，用16#铅丝联接，双丝双扣，孔孔相联。

(3)材料参数。锚杆型号均为NMG-2224，杆体强度为500#，长度为2.4 m，杆尾螺纹型号为M24。锚索材料为φ22 mm、1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，延伸率为7%，钻孔φ30mm，锚索规格为S5轨道下山在掘进支护过程中，对巷道表面位移、锚杆(索)轴力进行了监测，结果见图2、图3。分析图2、图3可知：巷道顶板最大下沉量为77 mm；右巷帮最大收敛量为83 mm，左巷帮最大收敛量为55 mm。巷帮收敛呈现不对称发展，巷道变形量超过50 mm的控制要求；顶板锚杆、左帮锚杆、右帮锚杆和锚索的轴力分别达到77，95，71，177 kN，可见巷道原支护方案中，锚杆、锚索的支护作用并未有效发挥出来。

图1　S5轨道下山原支护方案断面支护示意(单位：mm)

φ22 mm× 6 300 mm。锚索预应力不小于250 kN，考虑涨拉损失，涨拉时执行超涨拉，锚索初涨拉力不低于300 kN。

图2　巷道表面位移变化特征

3　常村煤矿巷道支护案例分析

综合分析常村煤矿巷道成功支护案例(表2)[5-11]可知：该矿巷道大都采用4根长度均为2 400 m的φ22 mm锚杆加固，间距为800～900 mm，排距为900～1 000 mm；顶板锚索布置方式有“小五花”、“大五花”、“小三花”和双锚索4种方式，锚索长度有4300，6300，7300mm 3种；顶板锚杆为φ22 mm×2 400 mm左螺旋螺纹钢，间距分别为900，960，1 100 mm，排距分别为1 000，2 000 mm。

图3　巷道锚索、杆轴力监测结果

4　S5轨道下山巷道支护方案优化

结合常村煤矿已有的巷道成功支护案例以及该矿S5轨道下山巷道围岩表面位移及锚杆(索)轴力监测结果，本研究对该巷道原支护方案进行了优化(图4)。优化方案中，锚杆的长度、间排距均保持不变，但所有锚杆均垂直于顶板打设；锚索布置方式采用“大五花”方式，采用3根锚索支护时，在巷道正中布置1根，其余2根锚杆分别布置于巷道最外侧锚杆轴线位置处，并倾斜25°打设；采用2根锚索支护时，锚索布置方式与原支护方案一致；将所有锚索的初张拉力提高至350 kN。

为详细分析该优化方案的合理性，本研究采用FLAC3D数值软件对原支护方案和优化支护方案的支护效果进行了对比分析。模型尺寸为45.3 m×36 m×4 m(长×宽×高)，根据巷道开挖造成的应力重新分布影响范围，巷道周围建立较为密集的网格，以提高计算精度，模型共划分为8080个单元，10 602 个节点(图5)。模型左边界、右边界和底侧采用法向约束，顶面根据巷道埋深施加法向应力。根据前期的力学试验，S5轨道下山的煤岩体力学参数见表3。

表2　常村煤矿已建巷道成功支护方案[5-11]

图4　S5轨道下山优化支护方案(单位：mm)

分析图6可知，原支护方案下，巷道顶板最大下沉量约为78.47 mm，巷帮最大收敛值呈对称分布，最大收敛量为71.57 mm，数值分析结果与现场实测的变形值非常接近。

分析图7可知：支护方案优化后，巷道顶板最大下沉量降低至49.2 mm，巷道两帮最大收敛量降低至41.67 mm，巷道变形得到了有效控制。

为进一步验证该优化方案的合理性，现场对优化支护方案进行了工业试验(试验段巷道长度为20m)并监测了巷道围岩表面位移。采用优化方案进行支护后，试验段巷道顶板最大下沉量为42 mm，两帮最大收敛量约为48 mm。

图5　S5延伸采区轨道下山巷道数值计算模型

岩性体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa内聚力/MPa内摩擦角/(°)密度/(kg/m3)粉砂岩5.313.501.400.3139.82600泥岩1.341.090.820.2829.224703#煤层0.350.150.130.2232.51406细砂岩14.006.462.200.3744.62686