程家沟5#煤层巷道联合支护设计优化研究

郝仲韡

（大同煤矿集团阳方口矿业有限责任公司程家沟煤矿，山西 大同 036700）

1 工程概况

程家沟5#煤层采区运输巷开口标高+1100m，距离地表约200m，设计长度500m，大巷基本沿煤层倾向布置，工作面沿煤层伪走向布置，大巷道断面为矩形，断面参数为4m×2.8m。

工作面煤厚约12m，赋存稳定，基本顶为灰白色粗砂岩；直接顶为灰褐色炭质泥岩，厚度约为2.7m；有厚0.3m灰白色砂质泥岩伪顶；直接底为黑色砂质泥岩，厚度约为1.5m；基本底为灰色细砂岩，厚度约10m。性状如表1所示。

2 支护方案

为确保生产安全的前提下降本增效，设计两套支护方案以供比选。第一方案依据矿山以往支护经验，采用11#工字钢棚、网、背板支护；第二方案为锚杆、索、网联合支护初步设计，将被动支护方式改为主动支护。

表1 运输巷工作面顶底板情况

2.1 架棚支护方案

根据式（1）计算巷道矿压，根据式（2）计算钢棚弯矩及抗弯模量。根据计算结果，选定工字钢，确定钢棚的棚距。

式中：

r-煤的容重，取1.4t/m3；

y-巷道上净宽的1/2，取1.6m；

f-所掘巷道内煤的坚硬系数，取1；

Q-巷道矿压。

计算得出巷道矿压为:

式中：

M-支架承受的弯矩，N·mm；

q-巷道顶部单位长度压力，N/m；

L-顶梁计算跨度，m；

P-支架顶梁重量，kg；

Wxj-金属材料截面系数，cm3；

[αj]-金属材料允许抗弯强度，取215N/mm2。

计算得出:

根据计算结果，参照采矿设计手册，选择能满足要求的11#工字钢，11#工字钢的参数如表2所示。

表2 11#工字钢参数表

式中：

S-钢架棚距；

Wxj-金属材料截面系数；

Wy-11#工字钢抗弯截面模量，根据表2得到289cm3。

计算得出S=Wxj+Wy=289/281=1.028m，因此取0.8m。

采用机载前探作为临时支护。当机载前探损坏时，采用前探梁作为临时支护，前探梁使用10号槽钢，长度4m，共计3根，每次割煤后将前探梁推至工作面，用刹顶木将前探梁背紧。永久支护到位后取下，做到工作面不空顶。前探梁由外向里逐个循环推移。工作面迎头到永久支护的最小空顶距为0.4m，最大空顶距为1.2m。

2.2 锚杆、索、网联合支护方案

考虑成本及长期维护等因素，编制了锚杆、索、网联合支护初步设计。在计算巷道支护参数时，考虑巷道围岩与支护材料的耦合及动压对巷道的影响：

锚杆长度按照式（4）计算，其中lb1取0.1m，lb3取0.3m，lb2的计算由式（5）得出。计算得出巷道有效长度为2.1m，帮部有效长度为1.6m，巷道锚杆长度2.5m，帮部锚杆长度2.0m。

式中：

la-锚杆长度，m；

lb-锚杆外露长度，一般在0.1～0.15m之间；

lc-锚杆有效长度，m；

ld-锚杆锚固长度，一般在0.3～0.4m之间。

式中：

a-巷道宽度，按回采最宽设计取4.5m；

b-矩形巷道高度，取2.8m；

lp-塑性软化区，当采深＜200m时，Lp=0～2m；当采深在200～400m 之间时，Lp=2～5m；当 采 深 ＞400m时，Lp=5～8m。 巷 道 按 采 深200～400m取3m。锚杆直径由长度除以110，计算得出顶帮直径取20mm。

顶帮锚杆都按加长锚固设计，根据式（6），钻孔半径取14mm，树脂药卷半径取11.5mm，锚杆半径取11mm，计算得出理论锚固长度1308mm。根据每根锚杆所承受的荷载，由式（7）确定锚杆的间排距：

式中：

L1-树脂药卷的长度；

L0-锚固长度；

R-钻孔半径；

R1-树脂药卷半径；

R2-锚杆半径。

式中

σb-单根锚杆的极限破断力，按高强度锚杆计算，取250kN；

psr-巷道顶板支护荷载，kN/m2；

psw-巷道帮部支护荷载，kN/m2；

Sb-等距排列时的锚杆间排距，计算得出帮顶排距0.83m，边帮排距0.7m。

设计如图1所示。

3 数值模拟方案比选

使用FALC3D模拟对两种方案进行比选，根据运输巷的顶底板情况以及圣维南原理，以巷道为中心，四周向外拓延，按照工程概况构建数值计算模型，包含表1中的顶底板情况。模型巷道部分采用1.0m的网格划分，顶底板及煤层部分采用2.0m的网格划分，网格以六面体为主，四面体作为衔接，共有节点607370个，单元641572个。结合已有地质资料与现场情况，得到岩层物理力学参数如表3所示，计算模型如图2所示。

图1 锚杆、索、网联合支护设计图

图2 数值模拟材料巷道模型

表3 岩层物理力学参数

对于模型X轴、Y轴及Z轴底部边界进行位移的限制，在Z轴顶部根据上覆岩层平均容重施加自重应力，来对模型的初始应力场进行计算，得到模型初始应力场如图3所示。

对比两套支护方案，以模型中央点（74.5，378.0，18.2）为中心沿X轴做剖面，得到两种方案下模型中央X轴剖面沉降位移图如图4、图5所示。

图3 模型初始应力场

图4 方案一的中央X方向剖面沉降云图

图5 方案二的中央X方向剖面沉降云图

方案一情况下底鼓最大值为1.797mm，顶板沉降离层的最大值为-14.01mm。方案二情况下底鼓最大值为0.537mm，顶板沉降离层的最大值为-13.59mm，下沉降较为突出部分皆集中在巷道工程两端，靠近工作面及巷道掘进开口。对比两种方案，发现后者相比前者底鼓最大值减少1.26mm，顶板离层最大值减少0.42mm，方案二不论在底鼓还是底板离层方面的表现均好于方案一，因此在实践中应选用方案二的支护设计参数。

4 结论

详细分析论证了程家沟5#煤层采区运输巷的两套支护设计方案，通过FlAC3D数值模拟手段，对两种支护方案进行比选。优选的施工方案对矿井保安全、降成本、增效益等方面带来了显著成效，也为企业的整体运营发挥了积极作用。