大跨度巷道雙微拱支護技術模擬分析

趙偉樞

(潞安集團慈林山煤業有限公司 李村煤礦，山西 長治 046600)

隨著采煤機械化程度的提高和生產規模的擴大，對巷道斷面要求也逐漸增大，巷道寬度也隨之增大。巷道穩定性受巷道的跨度影響非常大，切眼是大斷面煤巷，支護難度大，利用減跨手段來改善大斷面巷道圍巖穩定是行之有效的方法[1,2]，通過減跨原理將大跨度巷道減為小跨度巷道，頂板受力峰值降低并趨于穩定，頂板由單梁結構變為多跨連續組合梁結構[3-5]。目前，減跨支護手段有錨桿、錨索、單體支護、鋼帶等[6]。

本文以某礦7602切眼為研究背景，采用雙微拱斷面+單體支柱+錨桿(索)減跨支護方法，通過數值模擬方法對其效果進行分析。

1 工程概況

某礦主采煤層為3號煤層，煤層平均厚度6.8 m。7602切眼斷面為8 m×3.2 m，兩端頭斷面尺寸為10 m×3.2 m，切眼為大跨度巷道，尤其兩端頭跨度為10 m，切眼埋深為500 m，頂底板為泥巖、炭質泥巖和砂巖泥巖，切眼頂板易發生嚴重的離層和變形，支護難度大。運輸巷和回風巷的斷面均為4.5 m×3.4 m。7602切眼采掘工程平面如圖1所示。

圖1 7602切眼采掘工程平面

2 大跨度雙微拱支護設計

7602切眼的掘進方法采用雙微拱二次成巷，沿煤層底板掘進，掘進順序為：先掘小斷面，再掘大斷面，小斷面掘進寬度為3.5 m，大斷面掘進寬度為4.5 m。

2.1 支護參數選擇

采用FLAC2D數值軟件模擬分析確定錨桿預緊力的大小。模擬方案為30 kN、40 kN、70 kN、80 kN錨桿預緊力，通過對不同預緊力錨桿支護效果進行觀測，進而確定合理的預緊力大小。模擬結果見圖2。

從圖2可以看出，隨著預緊力的增加，錨桿支護范圍內的應力增大，當錨桿預緊力達到70 kN時，在錨固范圍內，巷道頂板形成分布均勻的壓應力區，無拉應力區，第一主應力能夠達到0.05 MPa以上，大跨度切眼保持穩定。因此，確定錨桿預應力大小不低于70 kN。

圖2 不同預緊力切眼圍巖第一主應力分布云圖

2.2 支護設計

頂板采用D22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，每排布置9根，間排距為1 000 mm×900 mm，采用樹脂藥卷加長錨固，一支規格為K2335，另一支規格為Z2360；錨索采用D22 mm×7 300 mm的鋼絞線，每兩排錨桿打4根錨索，錨索間排距為2 000 mm×1 800 mm，采用1支K2335和兩支Z2360樹脂藥卷進行錨固。

外側幫采用D22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿進行支護，每排布置4根，間排距為800 mm×900 mm，使用1支K2335和1支Z2360樹脂藥卷加長錨固。

內側幫采用D20 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿進行支護，每排布置4根，間排距800 mm×900 mm，使用1支Z2360樹脂藥卷加長錨固。

斷面支護示意如圖3所示。

圖3 雙微拱切眼減跨支護布置(cm)

3 支護效果數值模擬

采用FLAC數值軟件對比分析模擬埋深500 m的大跨度切眼，在側壓系數λ為0.5、1、1.5、2時，矩形斷面和雙微拱斷面大跨度切眼圍巖變形規律。模擬結果見圖4。

從圖4可知，頂板下沉量、底鼓量和兩幫移近量均隨側壓系數的增大而不斷增大，當λ≤1時，增加幅度比較小，當λ>1時，增加幅度較大。從圖4(a)、(b)可知，相同側壓條件下，就頂板下沉量及底鼓量而言，雙微拱斷面低于矩形斷面，表明雙微拱斷面的支護效果更優。從圖4(c)可知，雙微拱斷面與矩形斷面兩幫移近量相差不大，表明大跨度巷道支護重點為頂底板。

圖4 大跨度巷道不同斷面形狀圍巖變形規律

4 結 語

1) 通過數值模擬，確定錨桿預應力大小為70 kN，錨索預緊力為250 kN。

2) 隨著側壓系數的增大，頂板下沉量、底鼓量和兩幫移近量均隨之增大，且增幅隨之增大。

3) 相同側壓系數下，雙微拱斷面頂板下沉量及底鼓量比矩形斷面小，兩幫移近量兩者相差不大，說明大跨度巷道支護重點為頂底板，雙微拱斷面的支護效果要優于矩形斷面的支護效果。