大斷面直墻半圓拱煤巷支護錨桿參數優化設計

樊曉飛

(山西晉城煤業集團 勘察設計院有限公司， 山西 晉城 048006)

近年來，隨著煤炭淺部埋藏資源的日益枯竭，井田開采深度呈現出逐年加深的趨勢[1-2]. 對于深部煤炭資源的開采，由于高應力環境的存在，造成了巷道圍巖支護更加困難[3-4]. 尤其是工作面兩側的煤巷因為煤體的物理力學性能參數較巖層要小很多，因此存在煤層巷道圍巖較為破碎、支護困難等問題[5].

1 工程地質概況

甘肅西部某礦主采15號煤層埋深超過600 m，采深較大，五采區地質構造簡單，煤層賦存條件較穩定，煤層平均傾角為8°，屬于近水平煤層。所采煤層平均厚度為4.0 m，普氏系數為1.37，采用綜合機械化一次采全高的開采方式。15號煤層上方存在堅硬厚層中砂巖頂板，可視作基本頂，煤層上方覆巖層的復合彎曲能指數為173.3 kJ，具有強沖擊傾向性。15號煤層本身單軸抗壓強度為16.2 MPa，動態破壞時間為255 ms，沖擊能指數為1.41，彈性能指數為3.58，綜合判定為強沖擊傾向煤層。目前五采區內采掘工作面的平面位置關系見圖1.

圖1 五采區內采掘工作面平面位置示意圖

2 巷道原支護方案評價

2.1 原支護方案及礦壓顯現規律

由圖1可知，目前五采區內正在掘進051508機巷，而此前掘進051508回風巷時數次出現礦壓動力顯現，其中較為嚴重的礦壓動力顯現造成了巷道錨索的拉斷、兩幫內擠變形嚴重、肩窩位置出現吊包等情況。這一系列的礦壓動力顯現說明目前巷道圍巖應力環境較為復雜，現有支護方式無法滿足巷道安全高效的掘進，在后續回采階段受劇烈擾動的影響，更加無法滿足工作面的安全生產要求。

051508機巷原支護方案及相關錨網索參數見圖2.

圖2 原支護方案參數圖

由圖2可知，巷道采用直墻半圓拱掘進方式，其支護后的橫截面尺寸為長4.8 m×高3.9 m. 巷道頂板每排選用7根螺紋鋼錨桿(d22 mm×2 200 mm)呈對稱性布置，兩幫每排各選用3根圓鋼錨桿(d16 mm×1 800 mm)同樣呈對稱性布置，其間排距均為800 mm×800 mm. 關于頂錨桿和兩幫錨桿均采用端錨形式，不同之處在于頂部錨桿選用一卷CK2355型和一卷Z2355型樹脂錨固劑進行錨固施工，而幫部錨桿選用兩卷Z3537型樹脂錨固劑進行錨固施工，并對頂板每排選用2根鋼絞線錨索(d21.6 mm×5 000 mm)，其沿巷道中心軸呈現對稱性布置。錨索間排距為3 000 mm×1 600 mm，采用一卷CK2355型和一卷Z2355型樹脂錨固劑進行端頭錨固。巷道表面所鋪設的錨網選用鋼筋(d6.5 mm)加工制成，其網孔呈現菱形狀(150 mm×150 mm). 由于煤巷表面較為破碎，為了防止松散破碎的煤體致使錨網索支護范圍內出現錨網變形、兜煤渣等情況，影響錨桿、索的支護效果，在巷道表面進行噴漿處理，最終在巷道表面形成厚度為50 mm的混凝土噴層(配比為1∶2∶2).

2.2 原支護方案模擬研究

2.2.1三維模型的建立

采用FLAC3D數值模擬軟件建立三維模型，對地下采掘空間圍巖在支護作用下的應力環境及變形破壞情況進行模擬研究，實現對現有支護方案支護效果的評價[6-7]. 以051508機巷工程地質條件為背景，所建立的模型尺寸為長30 m×寬20 m×高30 m，模型四周邊界施加水平方向約束，底部邊界施加垂直方向約束。在模型上表面根據埋深情況等價施加大小為14.8 MPa的均布載荷力。所建模型采用Mohr-Coulomb強度準則作為煤巖體材料屈服判據，而模型中煤巖層的力學參數賦值情況見表1.

表1 煤巖體物理力學參數表

巷道圍巖支護結構中的錨網索所采用的的結構單元模型為cable和shell，具體力學性能和幾何參數見表2.

表2 錨桿索結構單元力學和幾何參數表

根據表1和表2中的相關參數，并結合圖2建立三維數值模型,見圖3.

圖3 三維數值模型圖

2.2.2模擬結果及分析

對所建立的三維數值模型進行計算機模擬運算，模擬所得到的巷道圍巖在原支護方案作用下的位移場見圖4.

圖4 巷道圍巖位移場云圖

由圖4可知，巷道圍巖在頂板位置處的徑向和水平位移場均高于其他區域，說明此位置巷道圍巖變形較大。除此之外，巷道直拱墻的上部區域也呈現出較大的徑向和水平位移場。這表明在原有支護方案下，051508機巷支護效果存在較為薄弱的部位，即巷道的頂板位置以及兩幫上側位置處容易在高圍巖應力環境下發生變形破壞，影響巷道圍巖的維護效果。

同理，可以得到巷道圍巖在原支護方案作用下的塑性區分布情況，見圖5.

圖5 巷道圍巖塑性區分布規律圖

對巷道圍巖塑性區分布范圍進行重點分析，因為此區域表示圍巖體單元正在或者曾經發生了剪切破壞。由圖5可知，巷道圍巖塑性破壞較為嚴重的區域為巷道幫部上側，破壞深度較大，其次為頂板位置處。這與圖4所示位移場變化規律吻合性一致，表明了現有支護方案確實存在一定的不足性，嚴重威脅到巷道后續的安全掘進。

3 巷道圍巖支護錨桿參數優化

基于巷道掘進施工期間存在的原有支護方案對圍巖的控制效果不佳等問題，結合數值模擬得出的圍巖破壞較為嚴重的區域分布規律，提出了6種對支護錨桿的改進措施，見表3.

表3 巷道圍巖支護錨桿優化方案表

采用FLAC3D數值模擬軟件，對優化后的6種支護方案進行數值模擬，可以得到不同支護錨桿參數優化作用下巷道圍巖較原有支護方案圍巖變形增減幅度情況，見圖6.

圖6 不同支護優化方案作用下圍巖變形增減幅度圖

由圖6可以看出，相較于原有支護方案作用下圍巖的變形情況，優化后的方案對于頂板的影響效果不明顯，甚至優化后頂板變形量略有小幅度增加；而對于巷道變形較為嚴重的左、右兩幫，優化后的方案3和方案6對其控制效果較好，使幫部圍巖變形減小幅度較大，且對底板圍巖變形的影響同樣為方案3和方案6最為突出；對比方案3和方案6可知，方案6對頂錨桿和幫錨桿均進行了調整，且對錨索布置方式進行了優化，整體上對巷道圍巖變形的控制效果要優于方案3。因此，最終確定采用方案6的支護方式作用于后續巷道施工。

4 工程實踐

051508機巷后續掘進期間，采用優化后的方案6對巷道圍巖進行支護，并采用十字觀測法[8]對支護效果進行了現場監測，測點布置位置見圖7.

圖7 十字礦壓監測法圖

通過間隔50 m布置一組礦壓觀測點對優化后的支護方案進行監測，3組測點(其中Y1#、Y2#數據為原支護方案監測所得，Y3#數據為優化后支護方案監測所得)所測結果見圖8.

圖8 巷道圍巖礦壓觀測結果圖

由圖8可知，051508機巷在采取優化支護方案前后，巷道圍巖變形規律基本均呈現為初始高速變形階段、中間過渡變形階段及最后基本穩定階段3個過程。從巷道頂板、左右兩幫圍巖變形穩定后的對比數據看出，采取優化支護方案后，巷道頂板變形量只有23 mm左右，左幫變形量只有21 mm左右，右幫變形量只有29 mm左右，整體巷道圍巖變形控制效果較為均勻，較原有支護方案對圍巖支護控制效果提升顯著，巷道圍巖整體變形量較小，有利于后續工作面的安全生產。原有支護方案中煤柱幫Y1#、Y2#數據監測結果差異性較大，見圖8c)，這是因為Y2#監測點處煤柱幫內存在較高的應力集中。

5 結 論

1) 甘肅西部某礦在高應力環境下掘巷期間存在較為嚴重的礦壓動力顯現情況，現場礦壓觀測結果表明原有支護方案存在一定的支護缺陷性。

2) 基于原有支護方案以及051508機巷圍巖地質條件，采用FLAC3D數值模擬軟件對原有支護方案的支護效果進行了模擬研究，并通過圍巖位移和塑性區變化情況分析了原有支護方案存在對巷道兩幫上部和頂部支護效果欠佳的問題。

3) 基于原有支護方案存在的問題，提出了6種改進的優化設計方案，并分別模擬了其對巷道圍巖的控制效果，最終確定了采取方案6作為后續掘進施工的優化方案?，F場礦壓觀測結果表明，優化后的方案6能夠有效控制巷道頂板下沉，減弱兩幫變形量，巷道圍巖控制效果顯著。