軟巖巷道支護方案及數值模擬分析

韓 秀

（西山煤電西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

一直以來，煤礦安全生產備受煤礦企業以及作業人員的關注。我國煤炭資源分布較廣，煤礦綜采工作面的地質、水文以及煤層情況不盡相同。軟巖巷道在我國分布較廣，其支護問題一直是礦業工程的難點[1]。近年來，軟巖巷道的支護和維修問題越發的突出，實現對軟巖巷道較好的支護效果是保證煤礦開采和安全生產的基礎。本文著重對某礦1201工作面軟巖巷道進行支護設計，并對支護后的效果進行數值模擬驗證。

1 工程概況

本文所研究煤礦為單一斜構造，工作面煤層呈東南-西北走向，煤層傾角范圍為58°～70°，平均傾角為65°，屬于急傾斜煤層。經現場勘測可得：該工作面的總長度為1 900 m，其中傾斜工作面的長度為190 m，現場可供開采的煤層面積初略估計有350 000 m2，而且綜合分析煤層地質及水文條件，該工作面的煤層屬于穩定煤層。

經現場勘測，1201工作面的頂底板情況如表1所示：

表1 1201工作面煤層頂底板情況

最大涌水量25 m3/h，正常涌水量為0～5 m3/h。瓦斯絕對涌出量為2 m3/min，煤塵爆炸指數：21.33%、煤塵具有爆炸性，自燃傾向性等級為Ⅱ級，易自燃。

目前，1201工作面的軟巖巷道常出現冒頂事故，且巷道兩幫的變形相對平緩，穩定期可持續25 d。因此，針對1201軟巖巷道工作面的支護需注意以下三個方面：改善軟巖巷道的物理力學性質，提升軟巖巷道自身的穩定性；采用適當措施對工作面的透水進行疏散或者封堵，減少透水對軟巖巷道的進一步軟化；對軟巖巷道進行支護后，盡可能地保證支架和軟巖巷道緊密接觸。

2 軟巖巷道支護方案的設計

針對1201軟巖巷道工作面當前支護方案下所存在安全問題，本文對1201軟巖巷道工作面采用超前支護赫爾注漿加固的支護方案，提升軟巖巷道的支護效果和質量[2]。

所謂超前支護指的是軟巖巷道工作面設計一個拱形的連續殼體，實現對軟巖巷道圍巖變形的控制。根據加固措施的不同可將超前支護分為地層改良法和預支護法。地層改良法是對工作面周圍地層土的特性；預支護法可提升軟巖巷道的自穩定性。本文采用預支護法中的管棚支護對軟巖巷道進行超前支護。管棚支護法需確定管棚的長度、鋼管的規格以及管棚的開孔位置、環向間距等。

2.1 管棚尺寸參數的確定

管棚長度L：

式中：H為軟巖巷道圍巖的坍塌高度，取2.51 m；φ為軟巖巷道圍巖的內摩擦角，取26.21°。

將數值代入公式得出：管棚長度L=5.5 m。為保證軟巖巷道支護在圍巖特性較差的支護效果，將管棚長度適當加長，取管棚長度為6 m。

一般，在工程應用中管棚常選擇無縫鋼管，且直接一般在50～180 mm之間。此外，為提高現場管棚的施工效率，常將管棚分節制作，分節安裝[3]。鑒于1201軟巖巷道工作面的情況，選用無縫鋼管的直徑為50 mm，鋼管壁的厚度為5 mm，每節鋼管的長度為3 m。

2.2 管棚位置參數的確定

管棚開孔位置的確定需綜合考慮管棚的施工效率和靠近開挖輪廓線的原則。而且，所選型管棚無縫鋼管的直徑為50 mm，屬于小直徑鋼管。因此，將管棚無縫鋼管的開孔距離確定為距離輪廓線300 mm。結合軟巖工作面防水要求、施工精度以及圍巖穩定性等多項原則，管棚環向間距一般為300～500 mm之間[4]。考慮到1201軟巖巷道工作面圍巖的破碎特點，確定管棚的環向間距為300 mm。

綜上所述，針對1201軟巖巷道工作面管棚支護參數所確定的支護斷面如圖1所示：

圖1 軟巖巷道工作面管棚支護斷面圖（單位：mm）

3 軟巖巷道支護效果的數值模擬

為驗證為設計管棚支護方案的效果和質量，基于FLAC3D軟件對軟巖巷道工作面采用管棚支護方案后工作面的應力情況進行模擬分析。

3.1 軟巖巷道模型的搭建

根據1201軟巖巷道工作面的尺寸和頂底板情況建立模型，所搭建的模型如圖2所示：

圖2 軟巖巷道數值模擬模型

根據1201軟巖巷道工作面頂底板各中巖性的特征對模型中體積模量、剪切模量、內摩擦角、內聚力和抗拉強度等參數進行設置。

3.2 管棚支護模型的搭建

結合如圖1所示的管棚支護效果，基于FLAC3D建立U型25鋼的支護模型，并在FLAC3D模型中對U型25鋼的彈性模量、泊松比、慣性矩以及橫截面積等參數進行設置[5]，最終所得管棚支護的模型如圖3所示：

圖3 管棚支護數值模擬模型

3.3 數值模擬結果分析

為驗證管棚支護效果，對普通支護狀態和管棚支護狀態下軟巖巷道圍巖的變形、應力以及圍巖狀態進行模擬分析。數值模擬結果分析如下。

分析圖4、圖5可知，采用管棚支護后軟巖巷道圍巖的變形和應力狀態得到有效控制。

圖4 巷道圍巖變形對比

圖5 巷道圍巖應力對比

4 結論

1）根據1201軟巖巷道工作面的參數確定管棚鋼管的長度為6 m，鋼管直徑為50 mm，鋼管長度為3 m并分節制動；距離輪廓線300 mm開孔，環向間距確定為300 mm。

2）基于FLAC3D軟件對U25鋼管棚支護效果驗證得出，管棚支護后工作面應力和變形較普通支護方案下得到有效控制。