某煤礦煤巷支護優化設計分析

孫海波

(霍州煤電集團有限責任公司 呂梁公司木瓜煤礦，山西 方山 033100)

很多學者對錨桿支護技術在巷道中發展及應用進行了論述，大多集中在錨桿支護對巷道圍巖的控制作用方面，有關錨桿預緊力大小對巷道穩定性影響的研究還不多，由錨桿拉拔力和預緊力檢測試驗得知，現場安裝錨桿質量達不到安裝質量的要求，造成了初期支護達不到預期的支護效果，致使巷道開挖初期變形過大，巷道破壞嚴重[1-2]. 由此為了深入了解錨桿預應力大小對巷道圍巖穩定性的影響，進行了模擬實驗研究。

1 工程背景

307工作面埋深為910 m，位于東二下山采區，東為東二采區未開發區；西為東二運輸機下山及東二回風下山；南為東二采區未開采區；北為306采空區。根據地質資料得知，此區域的地質狀況較為復雜，斷層發育。煤層厚度2.6～3.0 m，平均2.8 m，平均傾角12°. 工作面煤層賦存穩定，煤層結構復雜，一般含2～3層炭質泥巖夾矸。煤層頂底板情況見表1. 307工作面平面圖見圖1.

表1 煤層頂底板巖性表

圖1 307工作面平面布置圖

圖2 煤巷原支護方案示意圖

2 煤巷原支護方式及破壞形式

2.1 原支護方式

煤巷采用錨網梁索聯合支護方式，煤巷斷面近似梯形，頂板順煤層傾向開挖，為了保證凈高不小于2.6 m，必要時進行破底。煤巷原支護方案示意圖見圖2.

頂板、兩幫分別采用錨網索梁、錨網梁聯合支護方式。

1) 頂板、兩幫均采用無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，頂板安裝5根，兩幫安裝9根。錨桿d20 mm，長為2.4 m，排間距均為750 mm×850 mm.

2) 頂板安裝3根錨索，長度為9 m，d15.24 mm，間排距為1.7 m×0.85 m. 安裝時外露長度不宜超過300 mm，使用鎖具型號為MK-15，鋼墊板厚度不小于8 mm、邊長不小于100 mm，采用2.9 m長的18#槽鋼。

3) 頂板兩幫錨桿托板厚度分別為10 mm、8 mm，邊長不小于150 mm. 錨桿螺母采用扭矩螺母，扭矩為150 Nm.

4) 金屬網為12#鐵絲機編菱形網，規格為長800 mm×寬1 100 mm；鋼筋梯子梁采用直徑不小于10 mm的A3圓鋼。

2.2 煤巷圍巖變形破壞特征與分析

該礦開采煤層水平深度為(-850 m)，煤層松散，頂底板巖性強度較差，為典型的深部高應力巷道，處于這種復雜環境下的煤層巷道更加難以維護，巷道變形嚴重，尤其是沿空掘巷。煤巷在開挖掘進及工作面回采過程中，由原來的高2.6 m×寬3.2 m，斷面縮小為高1.4 m×寬1.8 m，頂底移近量平均為1～2 m，兩幫收斂量平均為0.5～1 m. 礦區巷道頂板是較厚的復合頂板，頂板間夾有數層煤線，煤層內充滿高濃度的瓦斯氣體，煤體較松散，底板為巖性強度較低的炭質泥巖。在高應力的作用下，煤層巷道變形強烈，支護體失效。

3 錨桿預應力對圍巖穩定性的影響

3.1 確定方案

為了研究方便，模擬實驗只改變錨桿不同的預應力(具體參數見表2)，錨桿、錨索材質、材質特性等參數均來自現場使用的錨桿、錨索參數。

3.2 模擬結果對比分析

從各方案塑性區分布范圍來看：

1) 隨著錨桿預應力的增加，開挖巷道四周圍巖和煤柱塑性區的面積逐漸減小，當預應力增加到60 kN，塑性區范圍減小較明顯。預應力再增加，塑性區面積減小不太明顯。

表2 方案及支護參數表

2) 當錨桿預應力從10 kN逐漸增加到60 kN時，巷道圍巖淺部(頂板、兩幫)，拉伸剪切破壞程度有所減小；預應力從60 kN增加到100 kN時，拉伸剪切破壞范圍變化不明顯。預應力從10 kN增加到100 kN這個過程中，底板的拉伸剪切破壞程度逐漸增大，隨之底鼓加重，原因是底板為整個巷道的薄弱部位。

3) 隨著錨桿預應力的增加，實體煤幫側的預應力錨桿周圍煤巖體彈性區面積逐漸增大，底板煤巖體的塑性區深度有所增加，煤柱及煤柱上下方煤巖體的塑性區面積有一定的縮小[3-5].

由不同錨桿預應力大小模擬計算出的垂直應力云圖見圖3. 由圖3可以看出：開挖巷道圍巖淺部一定范圍內是應力降低區，垂直應力約為10 MPa. 隨著錨桿預應力的增大，巷道圍巖應力降低區面積逐步增大，即應力集中區域向煤巖體深部轉移。其中，巷道底板的垂直應力降低區向深部轉移的較明顯，從11.1 m延伸至8.5 m，且應力降低區的范圍迅速增大，較高的應力被轉移到了更深部的巖體。煤柱上的垂直應力明顯減小，中部應力集中區域應力減小到20 MPa，面積約為整個煤柱寬度的1/2，應力大小從煤柱中部向兩邊逐漸減小到10 MPa. 且隨著錨桿預應力的增大，煤柱上方的應力影響范圍逐步增大，煤柱下方影響深度也隨之加大，從14.6 m延伸至8.6 m.

由以上分析可知，錨桿預應力的大小對錨桿支護效果有著較重要影響。隨著錨桿預應力的增加，巷道圍巖四周的煤巖體及煤柱上下方的塑性區區域面積有較明顯的減小，同時巷道圍巖四周的煤巖體及煤柱上的集中應力都有明顯的減小，且將較高的應力轉移到了煤巖體的深部，使得整個沿空側處于應力降低的區域，這對維護巷道圍巖的穩定性有重要的作用。錨桿預緊力可以有效地提高圍巖的承載能力和抗剪切能力，對維護巷道的穩定性有重要的作用。根據圖3，并結合現場施工的實際情況，選擇錨桿預應力為60 kN合適。

錨桿預應力從10 kN變化到100 kN，巷道圍巖不同部位的變形量見表3.

表3 巷道圍巖隨錨桿預應力不同情況下的變形量表

隨著錨桿預應力的增大，頂板下沉變形量由722 mm減小到427 mm，效果較明顯，錨桿預應力從10 kN增加到60 kN這個過程中，頂板下沉變形量減小速率較大，減小量達到224 mm；從60 kN到100 kN這個過程中，頂板下沉變形量基本處于穩定狀態，減小量只有71 mm. 巷道底鼓量總體只有25 mm，這是因為巷道頂板、兩幫的煤巖體強度在錨桿預應力下得到了提高,有效地加固了頂板、兩幫的煤巖體,但巷道底板是整個巷道的薄弱點,當上覆巖層壓力通過兩幫向無支護最薄弱的底板進行轉移時,引起了底鼓,隨著錨桿預應力的增大，固頂、固幫的強度加大，底板相對變為更加薄弱的環節，破壞步數也隨之減少。由此可知，在煤柱10 m情況下，加強巷道頂板、兩幫支護強度，底鼓依然較嚴重，在錨桿預應力為60 kN時巷道底鼓量變化是一個分界點。實體煤幫在錨桿預應力增加變化的過程中，變形量也較小，只有31 mm，錨桿預應力從10 kN增加到60 kN這個過程中，圍巖變形趨勢減小較明顯，從60 kN到100 kN圍巖變形比較平緩，沿空側煤幫的圍巖變形量變化較明顯，從492 mm減小到350 mm，減小量達到142 mm. 不同錨桿預應力支護巷道圍巖表面變形曲線圖見圖4. 由圖4可以看出，錨桿預應力為60 kN時，亦是沿空側煤幫變形量的一個分界點。

從以上分析可知，在煤柱寬度為10 m情況下，隨著錨桿預應力的增加，巷道圍巖的變形量得到了一定控制，但整個巷道的變形破壞依然較嚴重，所以僅改變錨桿預應力的大小不能有效地控制巷道圍巖的變形。在原支護形式下，當錨桿預應力為60 kN時，巷道圍巖的減小量基本趨于穩定。但是在現場的施工過程中，完全按照一個定值來進行施工是不現實的，且巷道圍巖受具體環境因素影響，所以錨桿預緊力的值應是在一個范圍內。從以上的模擬分析中，可以看出合理取值應是在50～70 kN，因為在這個范圍內時巷道圍巖的變形情況基本趨于穩定。

圖4 不同錨桿預應力支護巷道圍巖表面變形曲線圖

4 新支護方案在巷道中的使用

從錨桿預應力對巷道圍巖穩定性的分析得出，錨桿預應力取50～70 kN時，巷道圍巖穩定性較好；從煤柱寬度大小對巷道穩定性分析可知，煤柱寬度在4～6 m時，巷道變形量較小，具有一定的穩定性，但采用原支護方案巷道的大變形仍得不到有效地控制。為此，根據巷道的受力變形特征，原支護方式失效的原因以及煤巷圍巖控制原理，提出了新型的錨網梁+預應力桁架錨索梁聯合支護方式，錨桿預應力取60 kN，煤柱寬度取5 m，模擬支護效果見圖5.

圖5 新支護模擬圖

由圖5 b)可以看出，整個塑性區相比原支護方式下塑性區面積有所減小，煤柱部分塑性區面積雖然分布范圍大，但影響范圍及深度相對比較小，整個巷道比較穩定。

由圖5 c)看出，整個沿空側均處在應力降低區，應力值為10 MPa，靠近采空區煤柱內有較小范圍的值為20 MPa 的集中應力，對煤柱穩定性幾乎沒有影響；由圖5 d)看出，沿空側較大范圍的水平應力為10 MPa，處于水平應力的降低區域。可見，改變巷道開挖位置，確定合理的錨桿預應力大小，采用錨網梁+預應力桁架錨索梁的聯合支護方式可使巷道具有較好的穩定性。

巷道圍巖變形量見圖6.由圖6可以看出，巷道在新方案支護形勢下，不管是巷道兩幫，還是頂底板的變形趨勢均較為緩和穩定，變形都被明顯抑制。頂板下沉量平均為205 mm，底鼓量平均為222 mm，實體煤幫變形量平均為255 mm，煤柱側變形量平均為15 mm，煤柱側的變形明顯被抑制，頂底板及實體煤側的變形量均在控制范圍之內。從現場進行的工業性試驗觀測結果來看，現場采用新支護方案對巷道穩定性控制效果與模擬分析結果基本一致。

綜合上述分析，307工作面沿空掘巷試驗段巷道煤柱寬度取5 m，錨桿預應力取60 kN，采用錨網梁+預應力桁架錨索梁聯合支護，為巷道最佳開挖和支護方案。

圖6 巷道圍巖變形量趨勢圖

5 結 論

運用FLAC 2D模擬程序分別模擬了錨桿預緊力大小、煤柱寬度大小對穩固巷道圍巖的影響，得出兩者對維護巷道穩定性有重要的作用，從模擬結果對照分析，結合現場施工實際，錨桿的預應力合理范圍應在50～70 kN；煤柱寬度為4～6 m時既能夠保證煤柱受力的合理性，又能保持煤柱的穩定性，與理論計算出煤柱寬度基本吻合。從對307工作面沿空掘巷試驗段采用錨網梁+預應力桁架錨索梁聯合支護方式，巷道煤柱寬度取5 m，錨桿預應力取60 kN時模擬結果來看，巷道圍巖的變形量得到了有效地控制，與現場試驗效果基本一致。因此，此方案為巷道開挖和支護最佳方案。