火成巖侵入區煤層巷道支護方案數值模擬分析

張文浩

（同煤集團塔山礦，山西 大同 037003）

1 概況

永定莊礦于2018年11月開拓3-5#煤層，3-5#層盤區皮帶巷設計為半圓拱形斷面，掘寬4.3m，凈寬4m，掘高3.45m，凈高3.3m。

在盤區皮帶巷掘進300m范圍內遇多處火成巖侵入，頂煤最大冒落高度為1.8m，隨掘隨冒，支護時錨索因鉆孔成形不好無法正常安設，給工作面安全生產造成威脅，無法保證3-5#煤層正常的生產接替，急需對火成巖侵入區巷道的變形破壞特征進行研究，最終形成火成巖侵入區巷道圍巖控制技術[1-3]。

2 采區巷道基本支護參數

根據巷道破碎深度的探測結果，盤區巷道圍巖松動圈平均為2.75m。根據松動圈支護理論及錨噴支護建議，如表1所示，應采用錨桿、噴層及局部掛金屬網的支護方式，錨桿設計依據組合梁理論[4]。

表1 巷道圍巖松動圈分類及錨噴支護建議

（1）永久支護。采用錨網噴加錨索聯合支護形式。頂錨桿按9排齊排布置，排距0.7m，間距0.8m，錨索按兩排齊排布置，排距1.4m，間距為1.6m。錨索長度均為8m。如施工巷道頂板破碎、有壓力或遇特殊地質構造時應縮小錨桿及錨索的排、間距，并制定專項措施。

（2）幫部支護。護幫錨桿采用Ф22mm×2200mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，護幫錨桿按左右各兩排齊排布置，排距0.7m，間距0.8m，網采用長邊順巷方向布置，網與網短邊對接用網本身鉛絲重新穿綴，并將網片與煤幫貼緊，每根錨桿上一卷樹脂藥（K2360），護幫要求滯后工作面不大于5m。

3 支護方案數值模擬優化

3.1 數值計算模型

按照實際地質條件，模型尺寸300m×300m×90m，單元總數為46680。數值模型如圖1所示。模型上邊界施加邊界載荷p=11MPa以模擬上覆巖層自重，模型其他三個邊界均為位移約束。

圖1 數值模型示意圖

3.2 模型巖層參數的選擇

巷道圍巖及煤體參數包括密度、彈性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角、剪脹角以及抗拉強度，如表2所示。

表2 計算采用巖體力學參數

3.3 數值計算方案

對3-5#層盤區皮帶巷基本支護形式進行FLAC3D有限差分模擬。模擬以下兩種支護方案：

方案一：錨桿間距0.8m，排距0.7m，長度2.2m；錨索長度8m，間排距為1.6m×1.4m。幫錨桿長度2.0m，間排距0.8m×0.7m。

方案二：錨桿間距0.8m，排距0.85m，長度2.4m；錨索長度6m，間排距為1.6m×1.7m。幫錨桿長度2.0m，間排距0.8m×0.85m。

3.4 數值計算結果及分析

（1）巷道頂底板移近量的模擬。在巷道施工過程中，巷道頂底板位移量對巷道安全施工非常關鍵，同時也是對支護設計的最直接檢驗。因此，對頂底板豎直方向的位移模擬是本次數值模擬分析的一個重點。考慮到實際工程進展和施工工藝，結合數值模型的邊界條件與現實情況的差別，選擇模型中巷道中段y=50m處圍巖為研究對象，記錄該段每天的頂底板移近量。

圖2 方案一垂直位移云圖

開始時，掘進施工對巷道的頂底板位移有較大影響，隨著掘進面往遠處推進這種影響也越來越弱，然后逐漸趨于穩定。從模型的垂直位移云圖2上看，隨著計算時間的推移，尤其在計算末期，方案一的垂直位移變形量要小于方案二。

（2）巷道兩幫收斂量的模擬分析。選擇模型中巷道中段y=50m處圍巖為研究對象，記錄該段每天的兩幫收斂量。

圖3 方案二水平位移云圖

實際開挖過程中，掘進面距離監測斷面比較近時，對其巷道兩幫收斂的影響較大，隨著開挖的進行，掘進面距離監測斷面越來越遠，對監測面巷道兩幫位移的影響會減小。從巷道圍巖的水平位移云圖3中可以發現，短時間看兩方案水平位移的最大變化量接近一致，但方案二的水平變形影響范圍更大，隨著時間的推移，可能出現由影響范圍向影響程度的轉化，這種影響趨勢不利于巷道的長久穩定。

（3）巷道圍巖塑性區的模擬分析。選擇模型中巷道中段y=50m處圍巖為研究對象，記錄該段每天的塑性區的變化。

圖4 方案一圍巖塑性區云圖

由圖4可以看出，巷道開挖支護完成之后，第1天的塑性區頂部和底部較大，頂部最大值約1m，底部最大值約2m，兩幫較小約0.6m。第1天產生的塑性區占后來穩定后的塑性區的60%以上。因為巷道向前掘進并不會等到該塑性區達到穩定以后再進行，所以該斷面的塑性區域還會隨著時間的延續而自發地持續增加；再加上隨后離其較近處巷道開挖的影響，該斷面的塑性區會增大的更快，由上圖可以明顯地看出隨后緊接著開挖對塑性區的發展影響最大。5天以后的塑性區變化不太明顯，頂部最大值1.5m，底部塑性區最大值2.5m，兩幫的塑性區最大值1m。表明該斷面的塑性區已經趨于穩定，所以巷道開挖后，應迅速及時地對巷道進行支護，這對控制巷道圍巖塑性區的發展非常有利。

兩方案相比，在巷道圍巖塑性區的控制上方案一優于方案二；從第10天巷道塑性區云圖上看，方案二巷道右幫的塑性區范圍明顯大于方案一，說明方案一對于圍巖的控制更加有效。

4 結語

針對火成巖侵入區掘進頂板易冒落、錨索錨固效果差等問題，提出有針對性的巷道支護方案。根據火成巖侵入區巷道優化設計試驗段的實際工程情況，建立合理的數值模型，對掘進期間巷道的支護效果進行模擬分析，確定最優方案為：錨桿間距0.8m，排距0.7m，長度2.2m；錨索長度8m，間排距為1.6m×1.4m。幫錨桿長度2.0m，間排距0.8m×0.7m。